DE19517161A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Biegelinie einer Turbinenwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Biegelinie einer Turbinenwelle. Sie richtet sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Ver­ fahrens.

Turbinen, insbesondere Gas- oder Dampfturbinen, werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Ar­ beitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Tur­ binenwelle benutzt. Die Turbinenwelle ist in der Regel an ei­ nen Generator zur Stromerzeugung oder an eine Arbeitsmaschine gekoppelt. Die üblicherweise sehr schnell rotierende Turbi­ nenwelle ist dabei in Lagerböcken gelagert, die auf einer Tischplatte angeordnet sind. Um eine hohe Stabilität des Tur­ binensystems zu gewährleisten, ist eine derartige Tisch­ platte, die beispielsweise für eine Turbine einer Kraftwerks­ anlage aus Beton einer Dicke von etwa 2 m besteht, auf einem eigens dafür ausgelegten Fundament gelagert.

Durch die notwendigerweise nur punktuelle Lagerung der Tur­ binenwelle in den Lagerböcken erfährt diese aufgrund ihrer Gewichtskraft eine Durchbiegung. Diese Durchbiegung wird durch die sogenannte Biegelinie beschrieben, die als Funktion einer Ortskoordinate entlang der Turbinenwellenachse die Hö­ henkoordinaten der Turbinenwellenachse angibt.

Bei der Erstmontage der Turbine - aber auch bei späteren Neu­ ausrichtungen - wird die Turbine derart montiert, daß ihre Biegelinie einer idealen Form möglichst nahe kommt. Dies ist dann gegeben, wenn Kupplungsflansche, die die Turbinenwelle mit dem Generator oder der Arbeitsmaschine verbinden, momen­ tenfrei und ohne Klaffung verschraubt werden können. Der so hergestellte Zustand bleibt jedoch im Betrieb der Turbine nicht erhalten. So erfährt bereits das Fundament der Tisch­ platte unter Gewichts- und Betriebskräften und auch durch Temperatureinflüsse Verlagerungen und Verformungen. Diese Be­ anspruchungen des Fundaments und weitere Beanspruchungen der Turbinenwelle, beispielsweise Lastwechsel, veränderte Lager­ belastungen oder Dehnungsbehinderungen, bewirken somit eine betriebsbedingte Abweichung von der idealen Biegelinie der Turbinenwelle.

Derartige Abweichungen von der idealen Biegelinie können ir­ reversible Langzeitverformungen der Turbinenwelle und somit dauerhafte Schäden an der Turbine zur Folge haben. Daher ist es notwendig, die Biegelinie einer Turbinenwelle regelmäßig zu überwachen. Anhand dieser Überwachung können die Revision der Turbine geplant und Veränderungen frühzeitig erkannt wer­ den. Auf der Grundlage der Überwachungsergebnisse erstellte Analysen können darüber hinaus in einer Diagnose für die La­ gerung der Turbinenwelle einfließen.

Zur Ermittlung der Biegelinie einer Turbinenwelle wird übli­ cherweise die Höhe jedes Lagerbocks der Turbinenwelle relativ zu den anderen Lagerböcken gemessen. Dazu kann zum Beispiel das Schlauchwagen-Meßprinzip angewendet werden, bei dem die Höhendifferenz zweier durch einen mit Wasser gefüllten Schlauch verbundener Meßköpfe ermittelt wird. Die zur Durch­ führung eines solchen Meßverfahrens benötigten Systeme müssen jedoch unter erheblichem Aufwand an der Turbinenwelle instal­ liert werden und ermöglichen darüber hinaus keine permanente Überwachung der Biegelinie der Turbinenwelle.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Biegelinie einer Turbinenwelle, die in auf eine Tischplatte angeordneten Lagerböcken gelagert ist, anzu­ geben, das in einfacher Weise eine flexible und permanente Überwachung der Biegelinie der Turbinenwelle ermöglicht. Dies soll mit einer einfachen und besonders geeigneten Vorrichtung erreicht werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem für ein Netz von auf der Tischplatte und/oder auf den Lagerböcken angeordneten Meßpunkten die Höhendiffe­ renz zwischen jeweils zwei Meßpunkten berührungslos mittels Laserlicht ermittelt wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß durch den Einsatz einer Strahlung, insbesondere von Laserlicht, Hö­ henmessungen mit besonders guter Ortsauflösung möglich sind. Somit ist die Höhendifferenz zwischen zwei Meßpunkten beson­ ders präzise und zuverlässig ermittelbar. Die Ermittlung von lediglich Höhendifferenzen zwischen jeweils zwei Meßpunkten gewährleistet darüber hinaus die Unabhängigkeit eines derar­ tigen Verfahrens von externen Referenzpunkten. Somit sind Verfälschungen eines Meßergebnisses durch Verlagerungen bei­ spielsweise des gesamten Fundaments der Turbine gegenüber der Kraftwerksanlage ausgeschlossen. Durch die berührungslose Er­ mittlung der Höhendifferenz zwischen jeweils zwei Meßpunkten ist ein derartiges Verfahren zudem flexibel und ohne hohen Installationsaufwand und somit kostengünstig durchführbar.

Um die Unabhängigkeit von einem externen Referenzpunkt zu ge­ währleisten, wird zweckmäßigerweise der das Laserlicht emit­ tierende Laser auf einem Meßpunkt positioniert, von dem aus ein benachbarter Meßpunkt ausgemessen wird. Somit ist sicher­ gestellt, daß sowohl der das Laserlicht emittierende Laser als auch der auszumessende Meßpunkt auf der Tischplatte posi­ tioniert sind, so daß zur Ermittlung der Höhendifferenz zwi­ schen zwei Meßpunkten lediglich die für die Bestimmung der Biegelinie der Turbinenwelle relevanten relativen Höhenkoor­ dinaten und keine - mit verhältnismäßig großen Fehlern behaf­ teten - absoluten Höhenkoordinaten erforderlich sind.

Um eine besonders hohe Ortsauflösung und somit eine besonders hohe Zuverlässigkeit des Meßverfahrens zu gewährleisten, wird zweckmäßigerweise für jeden auszumessenden Meßpunkt eine für dessen Höhe charakteristische Laufzeitänderung des Laser­ lichts erzeugt.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird jeder auf einem Lagerbock der Turbinenwelle angeordnete Meßpunkt von einem auf der Tischplatte angeordneten Meßpunkt aus ausgemessen.

Bezüglich der Vorrichtung zur Bestimmung der Biegelinie einer Turbinenwelle wird die genannte Aufgabe gelöst durch einen an einem ersten Meßpunkt anbringbaren Laser, und durch einen an einem zweiten Meßpunkt anbringbaren Reflektor mit einem Pris­ ma zur Erzeugung einer Laufzeitänderung von Laserlicht, wobei der oder jeder Meßpunkt auf einer Tischplatte oder auf der dort gelagerten Turbinenwelle vorgesehen ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch die berührungslose Ermittlung der Hö­ hendifferenzen zwischen jeweils zwei Meßpunkten eines Netzes von auf der Tischplatte und/oder auf den Lagerböcken angeord­ neten Meßpunkten mittels Laserlicht die Ermittlung der Biege­ linie der Turbinenwelle nicht nur besonders flexibel, sondern auch ohne großen installationsaufwand möglich ist. Die Biege­ linie kann dabei sowohl während des Turbinenbetriebs als auch während eines Turbinenstillstands ermittelt werden. Die Über­ wachung der Biegelinie der Turbinenwelle kann daher kontinu­ ierlich oder in kurzen Zeitintervallen erfolgen, so daß Ab­ weichungen der Biegelinie von der idealen Form bereits früh­ zeitig erkannt und somit daraus resultierende Schäden vermie­ den werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur in Drauf­ sicht eine Tischplatte zur Aufnahme einer Turbinenwelle mit einer Vorrichtung zur Ermittlung der Biegelinie der Turbinen­ welle.

Die Tischplatte 1 für eine - nicht dargestellte - Turbine ei­ ner Kraftwerksanlage weist eine Anzahl von Aussparungen 2 zur Aufnahme beispielsweise von Teilturbinen oder eines Genera­ tors und eine Anzahl von Stützpunkten 4 zur Aufnahme von La­ gerböcken einer Turbinenwelle 6 auf. Die Lage der Turbinen­ welle 6 ist dabei durch die gestrichelten Linien angedeutet.

Auf der Tischplatte 1 sind Meßpunkte 8 vorgesehen, die diese nach Art eines Netzes überziehen. Weitere Meßpunkte 10 sind - wie durch die gestrichelte Umrandung angedeutet - auf den La­ gerböcken der Turbinenwelle 6 vorgesehen. Jeder der Meßpunkte 8, 10 weist dabei ein Aufnahmestück auf, mittels dessen eine Haltevorrichtung in kraftschlüssigen mechanischen Kontakt mit diesem Meßpunkt gebracht werden kann. Die Haltevorrichtung kann dabei beispielsweise eine Schraubenverbindung oder eine Steckverbindung sein.

Ein tragbares Sende- und Empfangsmodul 12, das eine derartige Haltevorrichtung aufweist und somit mit jedem der Meßpunkte 8, 10 in festen mechanischen Kontakt bringbar ist, weist in nicht näher dargestellter Art und Weise einen Laserlicht emittierenden Laser und einen Laserlicht-Detektor auf. Zur Reflexion des Laserlichts ist ein Reflektor 14 vorgesehen, der ebenfalls eine Haltevorrichtung aufweist und somit mit jedem der Meßpunkte 8, 10 in mechanisch festen Kontakt bring­ bar ist, und der z. B. ein Prisma mit reflektierender Oberflä­ che umfaßt.

Zur Bestimmung der Biegelinie der Turbinenwelle 6 wird mit­ tels des Sende- und Empfangsmoduls 12 und des Reflektors 14 die Höhendifferenz zwischen jeweils zwei benachbarten Meß­ punkten 8 bzw. 10 berührungslos ermittelt. Dazu wird zunächst der Reflektor 14 mittels der Halterung an einem ersten Meß­ punkt 8′ angeordnet. Sodann wird das Sende- und Empfangsmodul 12 am zum Meßpunkt 8′ benachbarten Meßpunkt 8′′ angebracht. Vom Sende- und Empfangsmodul 12 emittiertes Laserlicht wird auf den Reflektor 14 gerichtet und dort reflektiert. Bei der Reflexion des Laserlichts am Prisma des Reflektors 14 wird eine für die Höhe des Meßpunkts 8′ charakteristische Lauf­ zeitänderung des Laserlichts erzeugt. Beim Nachweis des re­ flektierten Laserlichts im Sende- und Empfangsmodul 12 wird diese Laufzeitänderung ermittelt und in eine Höhendifferenz zwischen dem Meßpunkt 8′ und dem Meßpunkt 8′′ umgerechnet. So­ dann wird das Sende- und Empfangsmodul 12 vom Meßpunkt 8′′ auf den Meßpunkt 8′′′ und der Reflektor 14 vom Meßpunkt 8′ auf den Meßpunkt 8′′ versetzt. Nun wird die Höhendifferenz zwischen den Meßpunkten 8′′′ und 8′′ ermittelt. Analog werden alle Hö­ hendifferenzen zwischen jeweils zwei Meßpunkten 8 ermittelt, so daß eine vollständige relative Höhenkontur der Tischplatte 1 gegeben ist. Diese relative Höhenkontur ist dabei nicht von einem externen Referenzpunkt und somit auch nicht von den ab­ soluten Höhenkoordinaten eines oder jedes Meßpunktes 8 abhän­ gig, so daß die erreichbare Genauigkeit der Ortsauflösung stark erhöht ist. Die Verkettung bei der Ermittlung der Hö­ hendifferenzen ist in der Figur durch die Pfeile A angedeu­ tet.

Zur Ermittlung der Höhendifferenzen der Meßpunkte 10 zueinan­ der wird jeder Meßpunkt 10 von den ihm benachbarten auf der Tischplatte 1 angeordneten Meßpunkten 8 ausgemessen. Dies ist durch die Pfeile B angedeutet. Aus den somit bekannten Höhen­ differenzen zwischen jedem Meßpunkt 10 und den diesen benach­ barten Meßpunkten 8 und aus den im voraus gewonnenen Höhen­ differenzen zwischen jeweils zwei Meßpunkten 8 sind somit die Höhendifferenzen zwischen jeweils zwei Meßpunkten 10 ermit­ telbar. Somit ist die Biegelinie der Turbinenwelle 6 bestimm­ bar, ohne daß die bei der Verwendung eines externen Referenz­ punktes auftretenden Fehlerquellen die Genauigkeit einer der­ artigen Bestimmung verschlechtern.

Vorteilhafterweise wird die Biegelinie der Turbinenwelle 6 auf der Basis der gemessenen Daten errechnet und auf einem Computer dargestellt, wobei die Biegelinie mit einer zuvor ermittelten Biegelinie verglichen wird. Die so gemessene Bie­ gelinie kann dann beispielsweise als Eingangsgröße für die Berechnung des Belastungszustandes der Lager der Turbinen­ welle 6 herangezogen werden. Daraus können dann Schlußfolge­ rungen für weitere Maßnahmen, wie z. B. eine Neuausrichtung der Turbinenwelle 6, getroffen werden.

Um Veränderungen der Turbinenwelle 6 vollständig, also bei­ spielsweise auch einschließlich Verdrehungen oder Verkippun­ gen zu erfassen, können an jedem Lagerbock mehrere Meßpunkte 10 vorgesehen sein. Vorteilhafterweise wird anhand der ermit­ telten Biegelinie die Biegebeanspruchung in einem oder jedem Wellenzapfen der Turbinenwelle 6 errechnet, um somit eine mögliche Laufzeit, die Lebensdauer oder einen Wartungszyklus der Turbine vorzugeben.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der Biegelinie einer Turbinen­ welle (6), die in auf einer Tischplatte (1) angeordneten La­ gerböcken gelagert ist, bei dem für ein Netz von auf der Tischplatte (1) und/oder auf den Lagerböcken angeordneten Meßpunkten (8, 10) die Höhendifferenz zwischen jeweils zwei Meßpunkten (8, 10) ermittelt wird, wobei die Ermittlung der Höhendifferenzen zwischen den Meßpunkten (8, 10) berührungs­ los mittels Laserlicht erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Laserlicht emittierende Laser auf einem Meßpunkt (8) positio­ niert wird, von dem aus ein benachbarter Meßpunkt (8, 10) ausgemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden auszumessenden Meßpunkt (8, 10) eine für dessen Höhe charak­ teristische Laufzeitänderung des Laserlichts erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder auf einem Lagerbock angeordnete Meßpunkt (10) von einem auf der Tischplatte (1) angeordneten Meßpunkt (8) aus ausgemessen wird.

5. Vorrichtung zur Bestimmung der Biegelinie einer Turbinen­ welle (6), die in auf einer Tischplatte (1) angeordneten La­ gerböcken (4) gelagert ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen an einem auf der Tischplatte (1) vorgesehenen ersten Meßpunkt (8) an­ bringbaren Laser, und durch einen an einem auf der Tisch­ platte (1) und/oder auf dem oder jedem Lagerbock (4) vorgese­ henen zweiten Meßpunkt (8, 10) anbringbaren Reflektor (14) zur Erzeugung einer Laufzeitänderung von Laserlicht.