DE3937912C2 - Distance measuring device - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur Erfassung des Abstandes von Turbinenschaufelspitzen zu deren Gehäuse, das nach dem Prinzip der Funkenentladung arbeitet, wobei in der Gehäusewand eine Elektrode fixiert ist, deren Gegen-Elektrode die Spitze der Turbinenschaufel bildet, so daß sich zwischen der Elektrode und den daran vorbeieilenden Turbinenschaufeln jeweils eine Entladungsstrecke befindet, wobei Bestandteile des Meßsystems eine Elektrodenspannungsquelle, deren Spannung veränderbar ist, und eine Auswerteinheit sind.The invention relates to a measuring system for detecting the distance from Turbine blade tips to their housing, which works on the principle of Spark discharge works, with an electrode fixed in the housing wall, the Counter electrode forms the tip of the turbine blade, so that between the Electrode and the turbine blades hurrying past each one Discharge path is located, components of the measuring system Electrode voltage source, the voltage of which is variable, and a Evaluation unit.
Aus der DE 34 33 351 C1 ist es bekannt, den Abstand zwischen zwei relativ zueinan der bewegten Teilen, bspw. zwischen Turbinenschaufeln und dem diese umgebenden Gehäuse, mit einem kapazitiven Meßsystem auf der Basis einer Ladungsmessung zu erfassen. Jedoch ist insbesondere bei schnellaufenden Maschinen aller Art wie Ver dichtern oder Turbinen eine hohe zeitliche Auflösung (von z. B. einer Mikrosekunde) bei solch einem System nicht gewährleistet. Weiterhin nachteilig ist bei dieser be kannten Vorrichtung, daß eine Kalibrierung, z. B. durch Verfahren einer Sonde gegen eine stehende Schaufel eines Rotorkranzes und weitere Auswertung, erforderlich ist.From DE 34 33 351 C1 it is known that the distance between two relative to each other of the moving parts, for example between turbine blades and the surrounding one Housing, with a capacitive measuring system based on a charge measurement to capture. However, especially in the case of high-speed machines of all types such as Ver seal or turbines have a high temporal resolution (e.g. of a microsecond) not guaranteed with such a system. Another disadvantage of this is knew device that a calibration, z. B. by moving a probe against a standing blade of a rotor ring and further evaluation is required.
Weiterhin sind Abstandsmeßeinrichtungen bekannt, die nach dem Prinzip der Fun kenentladung arbeiten. Bevorzugt werden mit diesen bekannten Abstandsmeßein richtungen Abstandsmessungen bezüglich der Elektroden von Zündkerzen vorge nommen, wie bspw. die DE 26 08 707 A1 oder die DE 35 13 799 C1 zeigen. Ange wendet werden kann dieses Meßprinzip aber auch an relativ zueinander bewegbaren Objekten, wozu beispielshalber auf die DE 37 08 770 C2 oder die DE 37 08 771 C1 verwiesen wird.Furthermore, distance measuring devices are known which operate on the principle of fun work. Preferred with these known distance measuring directions distance measurements with respect to the electrodes of spark plugs taken, such as DE 26 08 707 A1 or DE 35 13 799 C1 show. Ange However, this measuring principle can also be applied to those which can be moved relative to one another Objects, for example on DE 37 08 770 C2 or DE 37 08 771 C1 is referred.
In Kenntnis dessen bietet sich das Meßprinzip der Funkenentladung zur Ermittlung des Abstandes zwischen elektrisch leitfähigen Bauteilen auch für ein Meßsystem zur Erfassung des Abstandes von Turbinenschaufelspitzen zu deren Gehäuse an. Damit ergeben sich die folgenden Vorteile:Knowing this, the measuring principle of spark discharge can be used to determine the distance between electrically conductive components for a measuring system Detection of the distance from turbine blade tips to their housing. In order to there are the following advantages:
Es ist eine hohe zeitliche Auflösung realisierbar. Ein Temperatureinfluß ist reprodu zierbar und läßt sich durch eine parallele Erfassung eliminieren, so daß Messungen bei einer Umgebungstemperatur bis mindestens 800°C ohne Kühlung durchführbar sind. Eine Nach-Kalibrierung der Abstandsmeßeinrichtung ist nicht notwendig. Das Meßsystem enthält keine beweglichen Teile, so daß das gesamte System schwin gungsunempfindlich ist. Aufgrund ihrer Bauweise ist die Elektrode klein und damit so wohl flexibel als auch in kleinen Gehäusewandöffnungen einsetzbar. Bei der Entla dung entsteht aufgrund der geringen Entladungsenergie kein sichtbarer Funke, au ßerdem werden keine Materialveränderungen hervorgerufen.A high temporal resolution can be achieved. A temperature influence is reprodu can be eliminated and eliminated by a parallel acquisition, so that measurements feasible at ambient temperature up to at least 800 ° C without cooling are. A post-calibration of the distance measuring device is not necessary. The Measuring system contains no moving parts, so the entire system vibrates is insensitive to movement. Due to its design, the electrode is small and so Can be used flexibly as well as in small housing wall openings. When discharging Due to the low discharge energy, there is no visible spark, au In addition, no material changes are caused.
Wie an derartigen nach dem Prinzip der Funkenentladung arbeitenden Meßsystemen üblich, sind auch bei einem Meßsystem nach der vorliegenden Erfindung, bei wel chem in der Gehäusewand eine Elektrode fixiert ist, deren Gegen-Elektrode die Spitze der Turbinenschaufel bildet, so daß sich zwischen der Elektrode und den daran vorbeieilenden Turbinenschaufeln jeweils eine Entladungsstrecke befindet, als Bestandteile eine Elektrodenspannungsquelle, deren Spannung veränderbar ist, und eine Auswerteinheit vorgesehen.As with such measuring systems operating on the principle of spark discharge usual, are also in a measuring system according to the present invention, in wel chem an electrode is fixed in the housing wall, the counter electrode of which is the tip the turbine blade forms, so that between the electrode and the passing turbine blades each have a discharge path as Components of an electrode voltage source, the voltage of which is variable, and an evaluation unit is provided.
Aufzuzeigen, wie mit Hilfe der besagten Auswerteeinheit eine größtmögliche Vielfalt von Informationen über den jeweils ermittelten Abstand zwischen den Turbinen schaufelspitzen und dem diese umgebenden Gehäuse erhalten werden kann, ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung. To show how with the help of said evaluation unit the greatest possible variety of information about the determined distance between the turbines blade tips and the surrounding housing can be obtained is now Object of the present invention.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß jede Turbinenschaufel bzw. Turbinenschaufelspitze durch einen Sensor einzeln registrierbar ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.The solution to this problem is characterized in that each turbine blade or turbine blade tip can be individually registered by a sensor. Beneficial Training and further education are included in the subclaims.
Erfindungsgemäß stehen die Schaufeln mit einem Sensor, beispielsweise einem opti schen Sensor, in Wirkverbindung und sind daher registrierbar, so daß dieser Sensor an einen Zähler ein Signal abgibt. Möglich ist auch die Kombination von Sensor und Elektrode, so daß die Elektrode gleichzeitig mit Hilfe einer geeigneten Auswertung als Sensor eingesetzt werden kann. Dieser Zähler wird über ein Referenzsignal, das von einer Bezugsmarke auf der Turbinenwelle bzw. dem Turbinenrotor oder einer besonders identifizierbaren Schaufelspitze erzeugt werden kann, nach jedem Umlauf zurückge setzt.According to the invention, the blades have a sensor, for example an opti rule sensor, in operative connection and can therefore be registered, so that this sensor sends a signal to a counter. The combination of sensor and is also possible Electrode, so that the electrode simultaneously with the help of a suitable evaluation Sensor can be used. This counter is based on a reference signal from a reference mark on the turbine shaft or the turbine rotor or one in particular identifiable blade tip can be generated after each revolution puts.
Was die bezüglich ihrer Spannung veränderbare Elektrodenspannungsquelle betrifft, so ist durch die Aufteilung dieser Elektrodenspannungsquelle in ein Netzteil mit kon stanter Spannung und ein Netzteil mit veränderbarer Spannung eine extrem schnelle Spannungsregelung erreichbar. Für den notwendigen dynamischen Meßbereich kann die veränderbare Spannung herangezogen werden. Die Spannung an der feststehen den Elektrode ist derart veränderbar, daß es ab einer bestimmten Feldstärke, die wie derum eine Funktion der Spannung zwischen den Elektroden, dem Abstand und der Elektrodengeometrie ist, zu einer Entladung zwischen Schaufelspitze und Elektrode kommt. As for the electrode voltage source which can be changed in terms of its voltage, the division of this electrode voltage source into a power supply unit with con constant voltage and a power supply with variable voltage an extremely fast Voltage regulation achievable. For the necessary dynamic measuring range can the variable voltage can be used. The tension at which are fixed the electrode can be changed in such a way that it starts at a certain field strength which is a function of the voltage between the electrodes, the distance and the Electrode geometry leads to a discharge between the tip of the blade and the electrode is coming.
In Weiterbildung der Erfindung kann durch eine externe Schaufelwahleinrichtung, beispielsweise eine alphanumeri sche Tastatur, bestimmt werden, zu welcher Schaufel der Abstand ermittelt werden soll. Auch ist es durch eine Zu satzeinrichtung (beispielsweise ein weiterer Zähler) mög lich, den Abstand nacheinander zu jeder Schaufel zu be stimmen und diesen zu speichern, bzw. weiterzuverarbeiten.In a further development of the invention, an external Bucket selection device, for example an alphanumeri cal keyboard, to which blade the Distance to be determined. It is also through a too set device (for example, another counter) possible Lich, the distance to each shovel be successively agree and save it or process it further.
Möglich ist auch die automatische Bestimmung des Abstandes jeder 2. Schaufel oder die automatische Bestimmung einer frei wählbaren Schaufelkombination, die in einem Speicher abgelagert ist. Nach Passieren des Sensors werden die ein zelnen Schaufeln gezählt. Ein Komparator vergleicht den Zählerinhalt mit der vorgewählten Schaufelnummer. Stellt er Gleichheit fest, wird ein Triggersignal abgegeben, das durch ein Zeitglied mit einer definierten Zeitverzögerung, die durch die bauliche Entfernung von Elektrode und Sensor erforderlich ist, von einem weiteren Zähler registriert wird. Bilden die Elektrode und der Sensor eine Einheit, ist keine Zeitverzögerung erforderlich. Solange es nach den einzelnen Umläufen nicht zu einer Entladung der vorge wählten Schaufeln gekommen ist, wird die Elektrodenspan nung durch das Triggersignal stufenweise erhöht. Dies kann entweder nach einem kompletten Umlauf geschehen oder di rekt nach dem Passieren der vorgewählten Schaufel. Vor teilhafterweise erfolgt die Erhöhung der Spannung zwischen dem Durchlauf der zu messenden Schaufel und dem Durchlauf der vorhergehenden Schaufel.The automatic determination of the distance is also possible every second bucket or the automatic determination of one freely selectable shovel combination in one store is deposited. After passing the sensor, the individual blades counted. A comparator compares that Contents of the counter with the preselected bucket number. Poses he equality, a trigger signal is given that by a timer with a defined time delay, due to the structural removal of the electrode and sensor is required to be registered by another counter becomes. Do the electrode and the sensor form a unit, no time delay is required. As long as it is after the individual rounds did not lead to a discharge of the pre chosen blades has come, the electrode chip voltage gradually increased by the trigger signal. This can either happen after a complete circulation or di right after passing the selected shovel. Before some of the tension increases between the passage of the blade to be measured and the passage the previous shovel.
In Weiterbildung der Erfindung wird nach Erreichen der für eine Entladung notwendigen Spannung, der Durchschlagsspan nung UD, ein Entladesignal der Auswerteinheit zu ge führt, mit dem die Spannung, bei der die Entladung statt gefunden hat, gespeichert wird.In a further development of the invention, after reaching the voltage required for a discharge, the breakdown voltage U D , a discharge signal from the evaluation unit leads to the voltage at which the discharge took place being stored.
Durch eine nachgeschaltete Recheneinrichtung kann dann aus dieser Spannung und der Elektrodengeometrie der Abstand zwischen Schaufelspitze und Gehäusewand berechnet und nu merisch ausgegeben werden.A downstream computing device can then be used this voltage and the electrode geometry the distance calculated between blade tip and housing wall and nu be issued merically.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Spannungswert, bei dem Entladung stattgefunden hat, zu Regelungszwecken he rangezogen werden. Gemäß der aus der Spannung berechneten Größe des Abstandes kann Kühlluft oder eine Kühlflüssig keit über oder durch das Gehäuse geleitet werden, so daß der Abstand während des Betriebes verändert werden kann, um den Wirkungsgrad der Turbine zu verbessern.In a further development of the invention, the voltage value at discharge has taken place for regulatory purposes be drawn. According to the one calculated from the voltage The size of the distance can be cooling air or a cooling liquid speed can be passed over or through the housing so that the distance can be changed during operation, to improve the efficiency of the turbine.
Die nachfolgende Zeichnungsbeschreibung beinhaltet weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.The following description of the drawing contains more Embodiments of the invention according to the invention, in the Figures are shown.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau der Meßanordnung; FIG. 1 shows the basic structure of the measuring arrangement;
Fig. 2: eine Elektrodenspannungsquelle; FIG. 2 shows an electrode voltage source;
Fig. 3: die schematische Funktionsweise des Meß systems, wobei die Elektrodenspannung nach jedem Umlauf erhöht wird; Fig. 3: the schematic operation of the measuring system, wherein the electrode voltage is increased after each revolution;
Fig. 4: die schematische Funktionsweise des Meß systems, wobei die Elektrodenspannung nach dem Passieren der vorgewählten Schaufel erhöht wird; Fig. 4: the schematic operation of the measuring system, the electrode voltage being increased after passing the preselected blade;
Fig. 5: ein Blockschaltbild der Auswerteinheit. FIG. 5 is a block diagram of the evaluation unit.
In einer Gehäusewand 1 sitzt gemäß Fig. 1 eine Elektrode 2, die mit einer Isolation 3 gegenüber der Gehäusewand 1 versehen ist.According to FIG. 1, an electrode 2 is seated in a housing wall 1 and is provided with insulation 3 with respect to the housing wall 1 .
Zwischen dem unteren Teil der Elektrode 2 und dem oberen Ende einer Turbinenschaufel 4 befindet sich die Entla dungsstrecke 5. Der mit 4' bezeichnete Pfeil gibt die Drehrichtung des Turbinenrades an.The discharge path 5 is located between the lower part of the electrode 2 and the upper end of a turbine blade 4 . The arrow labeled 4 'indicates the direction of rotation of the turbine wheel.
Fig. 2 zeigt eine Elektrodenspannungsquelle 6, bestehend aus einem Netzteil 7 mit konstanter Spannung und einem Netzteil 8 mit veränderbarer Spannung. Die Gesamtspannung setzt sich also zusammen aus der Spannung des Netzteils 7 und der Spannung des Netzteils 8. Fig. 2 shows an electrode voltage source 6, consisting of a power supply 7 having a constant voltage and a power supply 8 with a variable voltage. The total voltage is therefore composed of the voltage of the power supply 7 and the voltage of the power supply 8 .
In Fig. 3 ist die schematische Funktionsweise des Meß systems am Beispiel von fünf numerierten Schaufeln zur Er läuterung des zeitlichen Verlautes der Durchschlagspannung UD gezeigt. Durch eine Schaufelvorwahl ist die Schaufel Nr. 4 ausgewählt worden. Zu Beginn eines Umlaufs wird ein Zähler durch ein Referenzsignal auf Null gesetzt. Kommt es während des ersten Umlaufs zu keiner Entladung an der Schaufel Nr. 4 nach einer definierten Zeit, wird ein Trig gersignal abgegeben und die Spannung nach Passieren der letzten Schaufel Nr. 5 um eine Stufe erhöht. Da nach dem zweiten Umlauf keine Entladung stattfindet, wird die Spannung wiederum erhöht. In Fig. 3 wird nach dem dritten Umlauf die Durchschlagspannung UD erreicht, die zu einer Entladung führt. Die gemessene Durchschlagspannung UD wird erfaßt und gespeichert und kann für weitere Zwecke verarbeitet werden. In Fig. 3, the schematic operation of the measuring system is shown using the example of five numbered blades to explain the time lapse of the breakdown voltage U D He . Bucket No. 4 was selected by selecting a bucket. At the beginning of a cycle, a counter is set to zero by a reference signal. If there is no discharge on blade # 4 after a defined time during the first revolution, a trigger signal is emitted and the voltage is increased by one level after passing through the last blade # 5. Since no discharge takes place after the second round, the voltage is increased again. In Fig. 3, the breakdown voltage U D is reached after the third round, which leads to a discharge. The measured breakdown voltage U D is recorded and stored and can be processed for further purposes.
Fig. 4 zeigt ebenfalls die schematische Funktionsweise des Meßsystems, mit dem Unterschied zu Fig. 3, daß die Spannung nachdem Passieren der vorgewählten Schaufel Nr. 4 erhöht wird und das Triggersignal direkt abgegeben wird, da ein für die Zählimpulse erforderlicher Sensor und die Elektro de 2 eine bauliche Einheit bilden. Fig. 4 also shows the schematic operation of the measuring system, with the difference from Fig. 3 that the voltage is increased after passing the preselected blade No. 4 and the trigger signal is emitted directly, since a sensor required for the counting pulses and the electrical de 2 form a structural unit.
Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild der Auswerteinheit 9. Ein Zähler 10 ist mit einem Sensor 11 verbunden, der die ein zelnen Schaufeln erfaßt. An den Zähler 10 sind ein Kompa rator 12 sowie eine externe Schaufelwahleinrichtung 13 an geschlossen. Der Ausgang des Komparators 12 ist mit dem Eingang eines UND-Gatters 14 verbunden, an dessen zweitem Eingang der invertierende Ausgang Q eines Flip-Flops 15 angeschlossen ist. Fig. 5 shows the block diagram of the interpreting unit 9. A counter 10 is connected to a sensor 11 which detects the individual blades. At the counter 10 , a comparator 12 and an external blade selection device 13 are closed. The output of the comparator 12 is connected to the input of an AND gate 14 , to the second input of which the inverting output Q of a flip-flop 15 is connected.
Über den Ausgang des UND-Gatters 14 wird ein Zähler 16 an gesteuert, der mit dem Eingang eines U/A-Wandlers 17 ver bunden ist. Der D/A-Wandler 17 steht in Verbindung mit der Elektrodenspannungsquelle 6, die ihrerseits mit der Elek trode 2 verbunden ist. Ein Ausgang der Elektrodenspan nungsquelle 6 ist mit dem Eingang des UND-Gatters 18 ver bunden, während an dem zweiten Eingang ein Zeitglied 19 angeschlossen ist. Der Ausgang des UND-Gatters 18 steht in Verbindung mit dem Set-Eingang des Flip-Flops 15. An einen Resettaster 20 ist der Reset-Eingang des Flip-Flops 15 und des Zählers 16 angeschlossen.Via the output of the AND gate 14 , a counter 16 is controlled, which is connected to the input of a U / A converter 17 . The D / A converter 17 is connected to the electrode voltage source 6 , which in turn is connected to the electrode 2 . An output of the electrode voltage source 6 is connected to the input of the AND gate 18 , while a timing element 19 is connected to the second input. The output of the AND gate 18 is connected to the set input of the flip-flop 15 . The reset input of the flip-flop 15 and the counter 16 is connected to a reset button 20 .
Die Auswerteinheit 9 arbeitet wie folgt: The evaluation unit 9 works as follows:
Das Referenzsignal RE setzt den Zähler 10 auf Null. Der Zähler 10 bekommt pro Schaufel ein Signal, wenn diese den Sensor 11 passiert hat. Der Komparator 13 vergleicht den Inhalt von Zähler 10 mit der Nummer der externen Schaufel wahl 13. Das Flip-Flop 15 ist zunächst im Grundzustand und gibt damit über den invertierenden Ausgang Q das UND-Gatter 14 frei. Über dieses UND-Gatter 14 gelangt immer dann, wenn der Komparator 12 Gleichheit zwischen einer extern vorgewählten Schaufel und dem Inhalt von Zähler 10 feststellt, ein Triggersignal TR, welches vom Komparator 12 abgegeben wird, auf Zähler 16. Zähler 16 erhöht über den D/A-Wandler 17 pro Umlauf solange die Elektrodenspannung, bis die vor gewählte Schaufel ein Entladesignal EN abgibt. Dieses Sig nal gelangt über das UND-Gatter 18 zum Flip-Flop 15 und sperrt damit gleichzeitig das UND-Gatter 14. Das UND-Gat ter 18 geht am Ausgang mit einer Zeitverzögerung, die von dem Zeitglied 19 bestimmt wird, auf Logisch 1, da die Ent ladung aufgrund der räumlichen Trennung von Sensor 11 und Elektroden 2 erst nach einer definierten Zeit nach Abgabe des Triggersignals TR erfolgt. Der Zähler 16 kann nach Sperrung des UND-Gatters 14 nicht mehr erhöht werden und enthält somit die Informationen über die Durchschlagspan nung UD, die ein Maß für den Abstand zwischen Elektrode 2 und einer vorgewählten Schaufel ist. Mit dem Resettaster 20 wird das Flip-Flop 15 und der Zähler 16 zurückgesetzt und eine neue Messung kann beginnen.The reference signal RE sets the counter 10 to zero. The counter 10 receives a signal per blade when it has passed the sensor 11 . The comparator 13 compares the contents of counter 10 with the number of the external bucket selection 13 . The flip-flop 15 is initially in the basic state and thus releases the AND gate 14 via the inverting output Q. Via this AND gate 14 , whenever the comparator 12 determines equality between an externally preselected blade and the content of counter 10 , a trigger signal TR, which is output by the comparator 12 , reaches counter 16 . Counter 16 increases the D / A converter 17 per revolution until the electrode voltage until the selected blade emits a discharge signal EN. This signal comes through the AND gate 18 to the flip-flop 15 and thus simultaneously locks the AND gate 14th The AND gate ter 18 goes at the output with a time delay, which is determined by the timer 19 , to logic 1 , since the discharge occurs due to the spatial separation of sensor 11 and electrodes 2 only after a defined time after the trigger signal TR has been emitted . The counter 16 can no longer be increased after blocking the AND gate 14 and thus contains the information about the breakdown voltage U D , which is a measure of the distance between the electrode 2 and a preselected blade. With the reset button 20 , the flip-flop 15 and the counter 16 are reset and a new measurement can begin.
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