DE2129411C2

DE2129411C2 - Einrichtung zur Messung der Schwingungen und Lage der Läufer von Rotationsmaschinen

Info

Publication number: DE2129411C2
Application number: DE19712129411
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Dipl.-Kfm. 6148 Heppenheim Peter
Original assignee: Individual
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-06-14
Filing date: 1971-06-14
Publication date: 1982-05-06
Also published as: DE2129411A1

Description

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erzeugt

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen und Empfänger in der Mitte zwischen den Läuferlagern angeordnet sind.

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Schwingungen und der Lage der Läufer von Rotationsmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

In verschiedenen Druckschriften (»Der Maschinenschaden«, 42 (1969), Heft 4, Seiten 113 bis 120; »Energie«, Jg. 20, 1968, Nr. 12, Seiten 401 bis 406; »Elektrizitätswirtschaft«, Jg. 67, 1968, Heft 19, Seiten 578· bis 582 und »Der Maschinenschaden«, 1971, Heft 1, Seiten 1 bis 40) sind verschiedene Einrichtungen und Verfahren zum Messen der Lager- und Wellenschwingutigen von Rotationsmaschinen beschrieben. Es wird im Bereich der Lager, also leicht zugänglicher Stellen, dii; Schwingstärke gemessen, z.B. mit Hilfe von Tauchspulsystemen mit seismischer Aufhängung. Zur Vervollkommnung der Aussagen über das komplexe Schwingungssystem hat man die Wellerschwingung unmittelbar erfaßt, zunächst mit abtastenden Meßgeräten, die an einem zugänglichen Wellenteil installiert waren, und schließlich durch berührungsloses Messen mittels Geber, welche die Veränderungen der Luftspaltinduktion zwischen Geber und Wellenoberfläche erfaßten. Die Messung der Lager- und Wellenschwingurigen in den Bereichen, die leicht zugänglich sind, erlaubt nur eine vage Extrapolation auf die tatsächlichen Verhältnisse in den anderen, schwer zugänglichen GttMusebereichen. Eine mathematisch-theoretische Erfassung der überaus komplexen Schwingungssysteme mit mehreren gekoppelten Läufern und mehrfachen Lagerungen bei ausschließlichen Messungen im Lagerbercich ist kaum möglich. Die Installation von Gebern innerhalb der Gehäuse zum Zwecke der Wellenschwingungsmessung scheitert an der beschränkten Temperaturilihigkeit der Geber von etwa 350° C und an konstruktiven Schwierigkeiten.

In der französischen Patentschrift 10 39 327 ist eine Einrichtung beschrieben, mit der durch den zwischen dem Gehäuse und dem Läufer einer Rotationsmaschine bestehenden Spalt und tangential zum Läufer von einem Emitter zu einem Detektor eine elektromagnetische Strahlung geschickt wird. Die vom Detektor festgestellte Strahlungsintensität ist ein Maß für die Spaltweite. Mit diesem Meßprinzip ist die Messung der Spaltweiten innerhalb der Gehäuse von Rotationsmaschinen und das Feststellen von Exzentrizitäten des Läufers möglich. Lageverschiebungen und Schwingungen, die parallel zum Strahlengang verlaufen, werden jedoch nicht erhißt

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugmnde, eine Einrichtung zur Messung der Schwingungen und Lage der Läufer von Rotationsmaschinen zu schaffen, mit der durch geeignete Wahl der Meßpunkte, an denen die Spaltweite innerhalb des Gehäuses von Rotationsmaschinen gemessen wird, Wdlenlage bzw. Gehäuse- oder Wellenverkrümmung und Wellenschwingungen differenziert erfaßt werden können. Der Einfluß auf die Gestaltung des Gehäuses der Rotationsmaschine und auch die Strömungsverhältnissi! innerhalb des Gehäuses soll möglichst gering sein.

Hrfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kenifizeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Ma !!nahmen gelöst

Als Strahlung können Laserstrahlen, Isotopenstrahlen, Röntgen- oder gewöhnliche optische Strahlen verwendet werden, die nach Emission und Durchlauf des Taiijjentialbereichs von entsprechenden Detektoren und Einrichtungen analysiert werden. Sobald der Läulfer- oder Wellenumfang in den Strahlenbereich ein 'taucht, registriert der Empfänger einen Schwund der empfangenen Strahlungsenergie. Der Grund dafür kann einis Schwingung der Welle sein oder eine relative La|[iüveränderung von Welle und Gehäuse. Sind zwei um 180" versetzt angeordnete Paar Strahlungsquellen und Empfänger vorhanden, so zeigen im Falle von Schwingungen des Läufers beide Empfänger dasselbe MeGlergebnis. Asymmetrische Ergebnisse deuten auf

eine relative Lageveränderung oder Läufer- bzw. Gehäuseverkrümmung, Sind die Strahlungsquellen-Empfänger-Paare um 90° versetzt, dann ist die Messung der resultierenden Schwingung möglich, wobei nach bekannten Verfahren die resultierende Maximalamplitude

in einer elektronischen Schaltung kontinuierlich errechnet wird.

Vorteilhaft sind die Strahlungsquellen-Empfänger-Patire dort angebracht, wo die größten Schwingungsamplituden zu erwarten sind, also etwa in der Mitte zwischen den Läuferlagern.

Die Erfindung und ihre Ausgestaltungen können zur Messung von relativen Wellenschwingungen, relativer Wellenlage sowie von Gehäuse- und Läuferverkrümmungen bei den meisten Arten von Rotationsmaschinen, insbesondere bei Dampfturbinen, Gasturbinen, Kompressoren, Gebläsen und Pumpen eingesetzt werden, und zwar im aktiven Betrieb und im Turnbetrieb, wobei die Messung der relativem Wellenlage und der Gehäuse- bzw. Läuferverkrümmungen im Stillstand erfolgen kann. Gerade dadurch, daß die Schwingungsamplituden und die Wellenlage im aktiven Betrieb gemessen werden kann, erhält man stets eine absolute Aussage über den Sicherheitsgrad des augenblicklichen Betriebszustandes. Durch die rechtzeitige Gewinnung dieser Aussage ist die Vermeidung betriebskritischer Zustände im An- und Abfahrbetrieb sowie im Normalbetrieb möglich, wodurch Schäden durch radiales oder axiales Anlaufen des Läufers verhindert werden.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen und Vorteile näher beschrieben und erläutert

Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem vier Strahlenquellen-Empfänger-Paare in einer radialen Ebene einer Turbine angeordnet sind,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Strahlenquellen-Empfänger-Paare in verschiedenen Ebenen angebracht sind,

Fig.3 Einzelheiten des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 und

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel mit mehreren parallelen, in axialer Richtung versetzten Meßstrahlen.

In F i g. 1 ist mit 1 das Gehäuse einer Turbine und mit 2 der Leitschaufelkranz des Läufers bezeichnet Im Gehäuse sind in derselben radialen Ebene vier tangentiale Bohrungen angebracht, von denen eine mit 5,5' bezeichnet ist Auf der einen Seite dieser Bohrung befindet sich eine Strahlungsquelle 3, auf der anderen ein Empfänger 4. Die Bohrungen 5, 5' sind so angebracht, daß der Strahlengang zwischen Strahlungsquelle 3 und Empfänger 4 durch den Luftspalt zwischen Gehäuse 1 und Leitschaufelkranz 2 führt Die von diesem Luftspalt durchgelassene Strahlungsleistung ist ein Maß für die Größe des Luftspaltes. Tritt an zwei einander gegenüberliegenden Strahlungsquellen-Empfänger-Paaren ein symmetrisches Meßergebnis auf, so liegt eine Schwingung senkrecht zu den Strahlengängen der Strahlungsquellen-Empfänger-Paare vor, ist das Meßergebnis unsymmetrisch, so liegt eine Wellenverlagerung bzw. eine Wellen- oder Gehäuseverkrümmung vor. Tritt an allen vier Strahlungsquellen-Empfänger-Paaren ein Meßergeiiiiis auf, so kann die resultierende Maximalamplitude der Schwingung bzw. die resultierende Wellenverlagerung nach der Formel

errechnet werden. Die Verwendung eines Lasers als Strahlungsquelle hat den Vorteil der exakten Führung eines dünnen kohärenten Strahlenbündels, was bei Spaltweiten im Millimeterbereich sehr vorteilhaft sein

ίο kann. Ein dünnes Strahlenbündel ist deshalb erwünscht, damit die Bohrungen ebenfalls eng sein können, so daß diese für das Turbinengehäuse keine Festigkeitsprobleme aufwerfen. Die Befestigung der Strahlenquellen und der Empfänger hat so starr zu erfolgen, daß ein vollkommener Schwingungssynchronismus mit dem Gehäuse gewährleistet ist Die Bohrungen können druck- und hitzebeständig, z. B. mit reinem Quarz oder anderen Werkstoffen, abgeschlossen werden. Ein solcher Abschluß kann bei Doppelgehäusen wegen der vernachlässigbaren Leckdampfmenge des Innengehäuses überflüssig sein. Eine Lichtab'ritung mit Glasfiberkanälen ist ebenfalls denkbar. Falis as die Betriebserfahrungen erforderlich machen sollten, kann mittels Sperrmedium (Sperrdampf bei Dampfturbinen aus vorheriger Stufe) an den Gehäuseein- und -Austritten eine Ablagerung von Partikeln vermieden werden. Die Bohrung für die Strahlung kann gegebenenfalls entwässert werden. Strahlenquelle und -empfänger sind im Bedarfsfalle zu kühlen.

F i g. 2 zeigt eine Anordnung, bei der das Gehäuse 6 der Turbine im Vergleich zum Gehäuse 1 nach F i g. 1 dick ist so daß alle Strahiungsquellen 8 und Empfänger 9 nicht in einer Ebene angebracht werden können. Es sind daher zwei Strahlungsquellen-Empfänger-Paare gegenüber den anderen beiden axial versetzt

In F i g. 3, die einen axialen und einen radialen Schnitt im Bereich einer Meßstelle zeigt ist mit 1 wieder das Gehäuse, mit 2 der Laufschaufelkranz und mit 5, 5' die axialen Bohrungen für den Strahlengang 13 bezeichnet Im Gehäuse 1 sitzen Leitschaufeln 10, 12, zwischen denen sich eine Laufschaufel 11 dreht Zwischen dem '.aufschaufelumfang 14 und dem Gehäuse 1 befindet sich ein Luftspalt durch den der Strahlengang 13 geführt ist Schwingungen des Läufers wirken sich in

einer Änderung der Breite des Luftspaltes und damit des Strahlenganges 13 aus, so daß sie der Strahlungsempfänger feststellen kann.

Bei Anwendung eines gewöhnlichen optischen Lichtstrahls kann man den aus dem oszillierenden Schaufeltiefstpunkt und den aus der Schwingung herrührenden Lichtanteil oszillographisch sichtbar machen und damit an einer Meßstelle exakt quantifizieren. Der optische Lichtstrahl kann auch die Auswertung der ,Spektralverschiebung (hohe Umfangsgeschwindigkeiten) ermöglichen.

Quantifizierte Angaben über den Luftspalt erfordern evtl. die Auflösung in Meßpunkte mit verschiedenen Strahlengängen. Ein Beispiel mit drei Strahlen pro Meßregion zeigt F i g. 4. Hier ist bereits das Spaltweitenmaß in Abstufungen meßbar. Wenn die Erzeugung von nahe beieinanderliegenden Laserstrahlen schwierig ist, kann, wie in F i g. 4 gezeigt, auch an nebeneinanderliegenden Laufschaufelreihen 16,17, IE die Messung mit drei Strahlengängen 21, 22, 23 vorgenommen werden.

Zwischen den Laufschaufeln befinden sich Leitschaufeln 19, 20. Mittels eim's MeSstrahls 24 kann die Breite des axialen Luftspaltes zwischen den Leit- und den Laufschaufeln festgestellt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentensprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Schwingungen und Lage der Läufer von Rotationsmaschinen bezüglich deren Gehäuse sowie von Gehäuse- und Läuferverkrümmungen mit einer Strahlungsquelle für elektromagnetische oder Korpuskularstrahlung und einem Strahlungsempfänger, die im Gehäuse der Rotationsmaschine derart angeordnet sind, daß der sie verbindende Strahlengang tangential zum Läufer durch den zwischen diesem und dem Gehäuse bestehenden Spalt verläuft, wobei die vom Strahlungsempfänger empfangene Strahlungsintensität ein Maß für die Spaltweite ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Strah lungsquellen-Empfänger-Paare vorgesehen sind, die um ein ganzzahliges Vielfaches von 90° bezüglich der Rotationsachse gegeneinander versetzt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei um 180° versetzt angeordnete Strahlungsquellen-Empfänger-Paare vorhanden sind und der Läufer im Normalzustand außerhalb der Strahlengänge liegt und bei anomalem Zustand in einen Strahlengang eintaucht

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Empfänger eine Auswerteschaltung angeschlossen ist, die feststellt, ob nur an einem Empfänger oder an beiden die Intensität der empfangenen Strahlung geschwächt ist

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen Laser sind und de3 mehrere, axial gegeneinander versetzte Paar Strahlungsquellen-Empfänger-Paare vorhanden sind, deren Strab'gngänge unterschiede ehe Abstände von der Achse des Läufers haben.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsmaschine eine Turbine ist und die axial gegeneinander versetzten Paare von Strahlungsquellen und Empfängern an benachbarten Schaufelreihen angeordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Abnahme der Ausgangssignale der Empfänger Signale (si, S₂) gebildet werden, die einer Rechenschaltung zügeführt sind, weiche ein Signal (sr) für die resultierende Maximalamplitude nach der Formel