DE2241436B2

DE2241436B2 - Einrichtung zur Messung der Schwingungen und Lage der Läufer von Rotationsmaschinen

Info

Publication number: DE2241436B2
Application number: DE2241436A
Authority: DE
Inventors: Udo Dipl.-Kfm. Dr. 6148 Heppenheim Peter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-08-23
Filing date: 1972-08-23
Publication date: 1980-12-04
Also published as: FR2197162B1; JPS49133056A; US3908444A; DE2241436A1; FR2197162A1; CH558522A; GB1449275A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zui Messung

ίο von Schwingungen und Lage der Läufer von Rotationsmaschinen bezüglich deren Gehäuse sowie von Gehäuse- und Läuferverkrümmungen mit einem Emitter für elektromagnetische Strahlung und einem Detektor, wobei der Strahlengang tangential zum

i« Läufer durch den zwischen diesem und dem Gehäuse bestehenden Spalt verläuft und die vom Strahlungsdetektor empfangene Strahlungsintensität ein Maß für die Spaltweite ist

Es ist bekannt, daß sich die Messung der Lager-

schwingungen aufgrund der einwandfreien Zugänglichkeit seit einiger Zeit bereits durchgesetzt hat Hier wird die sogenannte Schwingstärke (Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit) über Tauchspulsysteme mit seismischen Aufhängungen gemessen. Zur Vervoll kommnung der Aussagen über das komplexe Schwin gungssystem wurde in den letzten Jahren die unmittelbare Erfassung /!er Wellenschwingung erforderlich. Zunächst erfolgte das mit abtastenden Meßgeraten, die am zugänglichen Wellenteil installiert waren. Schließ- Hch ging man zur berührungslosen Messung durch Geber über, weiche die Veränderung der Luftspaltinduktion zwischen Geber und Wellenoberfläche erfassen. Die Messung der Lager- und Wellenschwingungen in den beschränkten Bereichen, die leicht zugänglich sind, ermöglicht nur annähernde Extrapolationen auf die tatsächlichen Verhältnisse in den Gehäusebereichen. Eine mathematisch.iheoretische Erfassung der überaus komplexen Schwingungssysteme m'n mehreren gekop pelten Läufern und mehrfachen Lagerungen bei ausschließlichen Messungen im Lagerbereich ist kaum möglich. Der Einbau von Gebern innerhalb der Gehäuse zum Zweck der Wellenschwingungsmessung scheiterte bisher an der beschränkten Temperaturfestigkeit der

Geber und an konstruktiven Schwierigkeiten.

Aus der US-PS j6 04 940 ist eine Einrichtung zum Prüfen von rotierenden Körpern beschrieben, mit welcher der rotierende Körper, z. B. eine Welle tangential an zu-ei gegenüberliegenden Stellen von

% parallelen Lichtstrahlen beleuchtet wird, derart, daß die Lichtstrahlen teilweise vom rotierenden Körper abgedeckt werden. Die Intensität der am rotierenden Körper vorbeigeführten Lichtstrahlen wird von Detektoren gemessen. Bei einwandfreiem Körper ändern sich bei dessen Drehen die Detektorausgangssignale nicht. Im Falle einer Exzentrizität der Achse ändern sich die beiden Signale symmetrisch, im Falle einer Abflachung des Körpers unsymmetrisch. Mittel für Messungen im Gehäuse von Rotationsmaschinen sind in dieser

Patentschrift nicht angegeben.

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. Mil diesem Meßprinzip ist zwar die Messung der

Spaltweiten innerhalb der Gehäuse von Rotationsmaschinen und damit eine absolute Aussage über den Sicherheitsgrad des augenblicklichen Betriebszustandes möglich, und es können Exzentrizitäten des Läufers festgestellt werden. In der bekannten Einrichtung sind jedoch der Emitter und der Detektor in bzw, am Ende einer tangential zum Läufer verlaufenden Gehäusebohrung angebracht Es wurde festgestellt, daß tangentiale Bohrungen di<2 Strömungsverhältnisse innerhalb des Gehäuses beeinträchtigen und zu Wirbelbildungen führen, die das Meßergebnis verfälschen können. Außerdem beeinträchtigen die tangentialen Bohrungen die Festigkeit des Gehäuses.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine praktisch und wirtschaftlich realisierbare Einrichtung zu schaffen, die eine Spaltweitenmessung — bedarfsweise auch an mehreren, über den Umfang verteilten Meßstelien an einem axialen Meßort — innerhalb des Gehäuses einer Rotationsmaschine ermöglicht und die einen möglichst geringen Einfluß auf 2u die Gestaltung des Gehäuses (nachträgliche Einbau· möglichkeit) und auf die Strömungsverhälrässe innerhalb des Gehäuses hat

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung, bei welcher der tangentiale Meßstrahl durch Reflexion eines senkrecht oder unter einem anderen Winkel zur Tangentialrichtung einfallenden Strahles erzeugt wird, JO bringt Vorteile hinsichtlich der Festigkeit des Gehäuses und dessen Herstellung mit sich. Günstig kann auch eine radial in das Gehäuse eingebrachte Bohrung sein. Es werden wesentlich kürzere Bohrungen erfordert, als wenn die Bohrungen tangential verlaufen. Neben einem }S wärme- und druckfesten Dichtungselement (Quarz oder dergleichen) ist zur Umlenkung des Strahles ein Reflektor nötig. Hierzu eignen sich Metallspiegel, auf bestimmte Materialien aufgebrachte Spiegelflächen oder (evtl. · erspiegelte) Prismen. Nach Durchlauf der ίο Meßstelle wird der Strahl in der gleichen Weise reflektiert und verläßt entsprechend der Rpflektorstellung das Gehäuse. Die Abdichtungsfunktion kann auch durch das Reflektorelement vorgenommen werden, ein zusätzliches Dichtungselement entfällt dann. Der Reflektor (Spiegei oder Prisma) kann fest oder beweglich eingebaut werden. Ist der einfallende Strahl in seiner Richtung justierbar, so kann auf eine bewegliche Reflektorbefestigung verzichtet werden.

Bei der Wahl des Ortes, an dem die erfindungsgemäße Einrichtung beim nachträglichen Einbau und im gewissen Umfang auch bei Neukonstruktionen angebracht werden kann, ist man durch konstruktive Gegebenheiten bzw. Forderungen der Maschinengestaltung eingeengt, also etwa durch die Entnahmen, Ringleitungen, Meßfühler und Meßgeber, Flanschdicke und Flanschschrauben. Eine Meßstelle in der Vertikalachse des Querschnitts ermöglicht die direkte Messung des Wellen- oder Läuferdurchhanges, z. B. in Abhängigkeit von Temperaturzuständen. In axialer Richtung kann die erfindungsgcmaße Einrichtung dort am Gehäuse angebracht sein, wo die größten Schwingungsamplituden auftreten, also etwa in der Mitte des Lagerabstandes. Bei hohen Ansprüchen bezüglich der .Schwingungsbilder, z. B. Versuchsmodellen, können *^Γ· mehrere axial verleihe Meßstellen installiert werden. Bei den Strahlen kann es iich grundsätzlich um optische Strahlen oder andere elektromagnetische Wcllcnstrah lungen, insbesondere Laserstrahlen, handeln, die reflektiert und nach Durchlauf des Tangentiaibereiches von geeigneten Detektoren und Einrichtungen analysiert werden können.

Laser haben den Vorteil der exakten Führung eines dünnen kohärenten Strahlenbündels. Dies kann besonders bei Spaltweiten im Milimeterbereich von Vorteil sein. Entsprechend den Spaltbedingungen erfolgt eine entsprechende Strahlenaufweitung mittels Monokulare, soweit der Laser nicht den entsprechenden Strahldurchmesser liefert Der Durchmesser dieses erweiterten Strahles ist größer als die Höhe des Spaltes, der gemessen werden soll. Der runde Strahldurchmesser wird an der Meßstelle gegenüberliegend durch Schaufelspitze und eine Meßkimme abgeschnitten. Zur Ausschaltung der Kxeisflächenfunktior. werden die zwei verbleibenden Kreissegmente mittels Blenden abgedeckt Spaltmaß sowie Schwingung verhalten sich dann bei flächenproportionaler Intensitätsverteilung des Strahles proportional zum freier ; Strah'durchgang. Durch Abdeckung der vom Läufer b^w, vom Gehäuse gebildeten Strahlenquerschnittsgrenze durch eine seismisch aufgehängte Blende lassen sich auch absolute Wellenschwingung und absolute Gehäuseschwingungen messen. Je kleiner die verbleibende Rechteckfläche im Verhältnis zum ursprünglichen kreisförmigen Querschnitt des Strahles ist, desto unempfindlicher ist die Messung gegen eigene Schwingungsbewegungen der Strahlenquelle bzw. des Lasers.

Im einfachsten Falle ist nur eine Meßstelle vorgesehen. Hierbei ist der Strahlengang so angeordnet bzw. justiert, daß er im Normalbetrieb nicht vom Radumfang oder Wellenumfang berührt wird Abnorme Betriebssituationen führen zu einer Schwächung des Strahles und damic zu Warnsignalen oder Schutzauslösungen.

Wird zusätzlich zur ersten Meßstelle eine zweite, um 180° versetzte vorgesehen, so zeigt diese bei Schwingungen des Läufers das gleiche Meßergehnis wie die erste. Asymmetrische Ergebnisse deuten auf eine relative Lageverändprung oder Läufer- bzw. Gehäusever'yümmung.

Vorteilhaft ist es, mehrere Meßeinrichtungen mit je einem Emitter und einem Detektor um ein ganzzahliges Vielfaches von 90° gegeneinander versetzt am Umfang anzuordnen. Es ist dann eine Messung uer resultierenden Schwingung möglich, wobei nach bekannten Verfahren die resultierende Maximalamplitude

in einer elektronischen Schaltung kontinuierlich festgehalten wird. Auch ist die oszillographische Darstellung der Wellenmittelpunktsbahnkurve möglich. Grundsätzlich genügt die Anordnung von zwei um 90° versetzten Meßstelien, wenn damit die relative Läuferlage mit Sicherheit definiert ist Aus Redundanzgründen oder zur besseren Differenzierung von Schwingungen, Gehäusebzw. Läuferverkrümmungen und relative Lageveränderungen können drei oder vier um 90° am Umfang versetzte Meßstell :n vorgesehen sein.

Das Spaltmaß sowie die Amplituden und Frequenzen der Schwingungsvorgänge können z. B. durch oszillographische Sichtbarmachung oder Aufzeichnung des mittels eines Photohalbleiters bzw. eines Photoelementes gemessenen Strahlendurchganges oder mit entsprechenden analogen oder digitalen Anzeige- und Registriergeräten angezeigt werden. Bei Anwendung eines Lasers, dessen Strahl mittels Monokulare oder verbleibende Divergenz ausweitet ist, entspricht das

austretende Strahlungsrnaß dem Spaltmaß. Damit sind Eichungsmöglichkeiten für die Aufzeichnungen extern gegeben.

Weitere Eichungsmöglichkeiten ergibt die berechenbare, oszillierende Strahlenfreigabe des Schaufelspitzentotpunktes im Verhältnis zur Strahlenfreigabe. Beim Drehen eines Turbinenläufers ist nämlich die Abschattung des MeDstrahles durch die einzelnen Schaufeln nicht konstant, sondern sie ändert sich von einer minimalen Abschattung, bei der die eine Schaufel aus dem Meßstrahl heraus- und die folgende in den Meßstrahl eintritt bis zur maximalen Abschattung, bei der die Schaufeln den oberen Totpunkt erreichen. Diese Änderung der Freigabe des Meßstrahles hangt von der Anzahl der Schaufeln, der Schaufelblattdicke und dem Abstand der Schaufelspitzen vom Läufermittelpunkt ab und kann berechnet weiden. Es ist daher eine Eichung der Meßsignalamplituden möglich. Durch die Bildung des Vcr'näiiiiisses der rvieusirahienfreigabe zu den berechenbaren, durch die Schaufelspitzen bedingten Strahlenfreigabe werden Änderungen der Strahlungsleistung des Emitters oder der Absorption des Meßstrahls kompensiert. Bei anderen Strahlenarten als Laserstrahlen wird analog vorgegangen.

Die Bohrungen müssen im allgemeinen druck- und hitzebeständig abgeschlossen werden. Bei Doppelgehäusen ist dies unter Umständen wegen vernachlässigbarer Leckdampfmenge des Innengehäuses überflüssig. Bevorzugt wird als druck- und hitzebeständige Durchführung der Bohrungen Quarz oder ein Spezialgas verwendet. Als druckdichte Halterung lassen sich stopfbuchsartige Packungen, stirnseitige Preßfassungen, Klebungen, Kittungen oder dergleichen verwenden.

Um Kondensationserscheinungen an den durchführenden Materialien zu vermeiden, und auch Messungen an kalten Maschinen beim Start vornehmen zu können, werden diese Durchführungen bei einer bevorzugten Ausführungsform beheizt. Dabei kommen in der Hauptsache Widerstands-, induktive oder Kurzwellenheizungen in Frage. Eine Lichtstrahlableitung mit Glasfiberkanälen ist ebenfalls möglich. Falls es die Betriebserfahrungen erforderlich machen sollten, kann mittels eines Sperrmediums (Sperrluft, Sperrgas oder Sperrdampf bei Dampfturbinen aus vorheriger Stufe) an den Gehäuseein- und -austritten eine Ablagerung von Partikeln vermieden werden. Auch kann eine Entwässerung des Strahlenkanals durchgeführt werden. Eine Kühlung der externen Emitter und Detektoren ist im Bedarfsfalle möglich.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung können relative und abnlute Wellenschwingongen, relative radiale Wellenlagen und Gehäuse- bzw. Läuferverkrümmungen bei Rotationsmaschine^ insbesondere bei Versuchsanordnungen, Dampfturbinen, Gasturbinen, Kompressoren, Gebläsen und Pumpen im aktiven Betrieb, im Turnbetrieb sowie von radialen Wellenlagen und Gehäuse- bzw. Läuferverkrümmungen im Stillstand gemessen werden. Dabei wird die Spaltweite mit sehr großer Genauigkeit erfaßt.

Anhand der Zeichnungen wird im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen die
F i g. 1 und 2 Ausgestaltungen der Einrichtung,
Γ i g. 3 Einzelheiten der Einrichtung nach F i g. I,
Fig. 4 eine Ausführungsform einer Strahldurchführung durch die Gehäusewand mit feststehendem Reflektor und
F i g. 5 eine Ausführungsform einer Durchführung mit

ίο justierbarem Reflektor.

Fig. 1 und Fig. 2 stellen Turbinenquerschnitte mit Strahleneingang und Strahlenausgang senkrecht zur Tangentialrichtung dar. In beiden Fällen ist eine zweifache Meßstelle verwirklicht. Um 90' versetzt

r, könnten auch drei oder vier Meßstellen angeordnet werden. In Fig. I fallen die Meßstellen mit den Achsen zusammen, in F i g. 2 sind die Meßstellen gegenüber den Achsen um einen bestimmten Winkel, in diesem Fall um 45" versetzt, angeordnet. Läufer 4i bzw. 5i bildet mit Gehäuse 42/52 den Spalt 43/53. Durch die Bohrungen bzw. Durchführungen 41/54 gelangt der Sirahl nach Reflexion in die Tangentialrichtung und wird durch dit Bohrungen bzw. Durchführungen 44/54 wieder nach außen reflektiert.

:■) F i g. 3 zeigt die Anordnung mit Strahlenehgang und Strahlenausgang senkrecht zur Tangentialrichtung. Laufrad 61 bildet mit Gehäuse 62 den Spalt 63. Der Strahl g ,-.Jungt aus der Strahlquelle bzw. dem Emitter 64 (z. B. Laser) durch ein Monokular 65 über eine

in Notabsperrung (für den Fall des Berstens der Durchführung) 65 in das am Flansch justierbare Tauchrohr 67 über Abdichtung 68 und Reflektor 69 in die Tangentialrichtung. Nach Durchlauf der Nut 70 und der Meßstelle 71 wird der Strahl analog mittels eines zweiten

v> Reflektors 72 aus dem Gehäuse herausgeleitei und nach Passieren der Blenden 73 im Detektor 74 analysiert.

In der Ausführungsform nach Fig.4 ist die Bohrung senkrecht zur Tangentialrichtung geführt. Laufrad 81 bildet mit Gehäuse 82 den zu messenden Spalt 83. In der Bohrung befindet sich das Tauchrohr 84. Darin ist die druckfeste und wärmefeste Quarzdurchführung 85 in einer Dichtungspackung 86 (eventuell mit Beheizungsvorrichtung) durch die Brille 87 verpackt. Der Reflektor 88 (Prisma bzw. Spiegel) ist durch die Feder 89 fixiert.

j^ Hier erfolgt die Reflexion des Meßstrahles in die Tangentialrichtung durch die Nut 90. Die Justierung des Strahles erfolgt in diesem Fall durch die Strahlenquelle.

F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform mit senkrecht zur Tangentialrichtung geführter Bohrung. Laufrad 91 bildet mit Gehäuse 92 den zu messenden Spalt 93. In der Bohrung befindet sich das Tauchrohr 94. Darin iv die druckfeste und wärmefeste Quarzdurchführung 95 in einer Dichtungspackung % (eventuell mit Beheizungsvorrichtung) durch die Brille 97 verpackt. Der Reflektor 98 (Prisma bzw. Spiegel) ist in der justierbaren Halterung 99 befestigt. Hier erfolgt die Reflexion des Meßstrahles in die Tangentialrichtung durch die Nut 100.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

I. Einrichtung zur Messung von Schwingungen und Lage der Läufer von Rotationsmaschinen bezüglich deren Gehäuse sowie von Gehäuse- und Läuferverkrfimmungen mit einem Emitter für elektromagnetische Strahlung und einem Detektor, wobei der Strahlengang tangential zum Läufer durch den zwischen diesem und dem Gehäuse bestehenden Spalt verläuft und die vom Strahlungsdetektor empfangene Strahlungsintensität ein MaB für die Spaltweite ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlen vom Emitter (64) durch eine unter einem Winkel zur tangentialen Richtung vertaufende Gehäusebohrung zu einem Reflektor (69) geführt und an diesem in die Tangentialrichtung umgelenkt and und daß die Meßstrahlen nach Durchlaufen des zwischen dem Gehäuse uod dem Läufer bestehenden Spaltes in analoger Weise von einem(gareiten Reflektor (72) in eine zweite Gehäusebohrung zum Detektor (74) umgelenkt sind.

Z Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusebohrungen senkrecht zur tangentialen Richtung verlaufen.

3. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen radial in das Gehäuse eingebracht sind.

4. Einrich.jng nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor ein Metallspiegel oder ein Prisma ist

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, d* ν in die Bohrungen eine Durchführung (85) mittels einer druck- und wärmefesten Abdichtung (86) emgest zt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung mit einer Heizvorrichtung versehen ist

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Bohrungen jeweils ein Tauchrohr (84) einschiebbar ist, in das eine druck- und wärmefeste Durchführung (85) aus Quarz oder einem Spezialglas mittels einer Stopfbuchsendichtung (86,87) eingesetzt ist und an dessen in das Gehäuse der Rotationsmaschine ragenden Ende der Reflektor (88) mitteis einer sich an der Brille (S7) der Stopfbuchsendichtung abstützenden Feder (89) eingespannt ist

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (98) in einer justierbaren Halterung (99) befestigt ist

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßeinrichtungen mit je einem Emitter und einem Detektor um ein ganzzahliges Vielfaches von 90° gegeneinander versetzt am Umfang angeordnet sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche! bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter ein Laser ist und auf den Spalt ein Strahlenbündel geschickt ist, dessen Durchmesser größer als der Abstand zwischen Laufer und Gehäuse ist, und daß Blenden sowie eine den Schaufelspitzen gegenüberliegende Meßkimme vorhanden sind, derart, daß MeBkimme und Schaufelspitzen den runden Meßstrahl abschneiden und die Blenden die verbleibenden Kreissegmente des Meßstrahles abdecken.

II. Einrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche I bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur absoluten Messung der Spaltweite von Turbinen das Verhältnis der Meßstrahlenfreigabe zu den berechenbaren, durch die Schaufelspitzen bedingten Änderungen der Meßstrahlenfreigabe gebildet ist