DE4344650C1

DE4344650C1 - Signaleinrichtung für Turbomaschinen

Info

Publication number: DE4344650C1
Application number: DE4344650A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Zielinski; Gerhard Ziller
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1993-12-24
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2013-12-25
Also published as: GB2285128B; FR2714488B1; ITMI942571A0; IT1271304B; ITMI942571A1; GB2285128A; FR2714488A1; GB9426160D0; US5557099A

Description

Für verschiedene Sondermessungen an Turbomaschinen, z. B. zur Schau felschwingungsmessung, werden zeitlich hochgenaue Triggerimpulse bzw. Positionssignale von den Laufschaufeln der mit vergleichsweise hohen Drehzahlen betriebenen Turbomaschinen benötigt. Hierzu werden opti sche Sonden eingesetzt; die Schaufeln durchlaufen einen von der Sonde optisch entsprechend aufbereiteten Beleuchtungsstrahl, wobei die Triggerimpulse aus dem von den Schaufeln jeweils an definierten Ober flächen, z. B. der Schaufelstirnseite teils diffus, teils gerichtet reflektierten Licht gewonnen werden. Der über einen optoelek tronischen Empfänger darstellbare Signalanstieg bzw. -abfall ergibt sich aus der Zeit, die eine bestimmte Sektion der Schaufel zum Durch queren des Beleuchtungsstrahls benötigt.

Mit einer konventionell aufgebauten optischen Sonde, die eine Abbil dungsoptik einschließt, wird auf der definierten Schaufeloberfläche nur ein verhältnismäßig kleiner, praktisch punktförmiger Beleuchtungsfleck erzeugt, um steile Signalflanken zu ermöglichen. Aus dem empfangenen reflektierten Licht ergeben sich damit zwar schon cha rakteristische Signale mit verhältnismäßig steilen Flanken; we sentlicher Mangel jedoch ist es, daß die abgebildeten Signale stark strukturiert sind und von Umdrehung zu Umdrehung des Rotors durch eine deutlich unterschiedliche Form gekennzeichnet sind, so daß hier aus nur Triggersignale mit schlechter zeitlicher Zuordnung zur Schau felposition ableitbar sind. Die optische Abbildung mit Linsen im Empfangszweig der Sonde führt zu einem vergleichsweise kleinen wirk samen Raumwinkel innerhalb des Empfangskegels des reflektierten Lichts. Der wirksame Raumwinkel wird weiterhin zu einem erheblichen Teil durch Linsen des Sendezweigs abgedeckt und hierdurch zusätzlich verkleinert.

Der punktförmige, extrem kleine Beleuchtungsfleck führt zu stark wechselhaften, nicht reproduzierbaren Reflexionsrichtungen des ge richtet reflektierten Lichtanteils, insbesondere nachdem bereits durch geringe Verschiebungen des Beleuchtungsflecks auf der Schaufel bei jeder Umdrehung unterschiedliche Oberflächenstrukturen durch laufen werden. Um die notwendigen kleinen Beleuchtungsfleckdurch messer zu erreichen, wird eine kohärente Lichtquelle verwendet. Durch Interferenz entsteht jedoch ein ebenfalls von der Oberflächenstruktur der Schaufel abhängiges und damit örtlich und zeitlich sich änderndes Intensitätsmuster (Specklemuster) im reflektierten Licht. Aus den genannten Gründen führen z. B. betriebsbedingte Radial- und/oder Axialverschiebungen des Rotors relativ zum Gehäuse, und damit relativ zum Beleuchtungsstrahl, zu ausgeprägten Veränderungen der Signalform.

Die DE-OS 37 00 777 behandelt eine Vorrichtung, mit der der Drehungs- oder Bewegungszustand eines Objekts hochgenau gemessen werden soll. Die Vorrichtung besteht aus einem Bezugspositionsgeber (1/Umdrehungs-Geber) und einem sogenannten "Verschlüßler", mit dem die Objektposition relativ zu den Bezugspositionen gemessen wird. Der Verschlüßler arbeitet mit einem am Objekt fest angebrachten Beugungs gitter. Der Bezugspositionsgeber arbeitet nach folgendem Prinzip:
Eine auf dem Objekt angebrachte rechteckige Reflexionsmarke wird von einem konvergenten Lichtbündel bestrahlt, dessen Ausdehnung im Be reich der Marke etwa doppelt so groß ist wie die Marke. Aufgrund der Konvergenz des Lichtbündels durchfährt das reflektierte Licht, wäh rend die Marke das Lichtbündel durchquert, eines gewissen Winkelbe reiches. Zwei entsprechend angeordnete Fotozellen sehen daher das reflektierte Licht zeitlich versetzt und als Bezugsposition wird die Markenposition definiert, bei der beide Fotozellen gleiche Intensität anzeigen.

Dabei wird u. a. eine Zylinderlinse angewendet, um auf der Reflexions- bzw. Bezugsmarke einen derselben ähnlichen, langgestreckten Ab tastfleck abzubilden, wobei eine Längserstreckung der Reflexionsmarke vorliegt, die senkrecht zur Bewegungsrichtung verläuft.

Dieses Funktionsprinzip setzt voraus, daß die Reflexionsmarke eben ist und spiegelnd reflektiert (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel). Diese Voraussetzung wäre insbesondere bei Schaufelstirnflächen mit ihren Schleifstrukturen nicht erfüllbar. Hier würde das Licht mehr oder weniger diffus und als Folge der Oberflächenstruktur (Kratzer, Riefen), in von Ort zu Ort stark wechselnde Richtungen gestreut. Ein Polieren der Stirnflächen wäre mit einem zusätzlichen kosteninten siven Arbeitsprozeß verbunden. Im übrigen muß damit gerechnet werden daß nach einem Anstreifen der Schaufeln an Einlaufbelägen des Ge häuses im Betrieb (wie es häufig passiert, z. B. beim Verdichterpumpen) wieder starke Schleifspuren an den Stirnflächen vorhanden wären.

Eine aus der DE-AS 14 63 050 bekannte Vorrichtung behandelt eine licht-elektrische Schneidlinien-Abtastung analog zur Reflexions- bzw. Bezugsmarkenabtastung gemäß der DE-OS 3 70 077. Dabei soll der Be leuchtungsstrahl in einer Dimension, parallel zu den zu detektieren den Schneidlinien (Anrißkanten) eines Glasbandes aufgeweitet werden, um die Schneidlinien auf dem sich bewegenden Glasband gegenüber vor handenen Strukturen, z. B. Staub oder Schlieren im Glas hervorzuheben. Vor einer geradlinigen Leuchtfläche als Lichtquelle soll eine Zy linderlinse angeordnet sein; eine Fotozelle soll einer Lichtleit platte (Lichtleiter) zugeordnet sein.

Die US-PS 5,201,227 behandelt eine Vorrichtung zur Messung der Schau felschwingungen rotierender Laufschaufeln eines Gasturbinentrieb werks. Hierzu ist eine Sonde am Turbinengehäuse so festlegbar, daß das radial innen liegende Sondenende (stirnseitig) radial mit Abstand oberhalb der Laufschaufelspitzen angeordnet ist. Die Laufschau felabtastung erfolgt mit einer achszentral in der Sonde angeordneten Beleuchtungslichtleitfaser und einer hierzu konzentrisch angeordneten Empfangslichtleitfaser. Die Beleuchtungslichtleitfaser umfaßt, am betreffenden Ende des Sondenkopfes, eine Linse kleinen Durchmessers, der eine Linse großen Durchmessers im Sende- und Empfangszweig axial mit Abstand folgt. Einer an der Sondenstirnseite befindlichen Ab deckscheibe kommt nur eine reine Schutzfunktion zu. Die Anordnung führt zu einem vergleichsweise kleinen Empfangsraumwinkel, den die Sonde über der betreffenden Laufschaufel abdeckt. Somit wird die Sonde nur geringe Anteile des von den Stirnflächen reflektierten Lichts empfangen können, wobei zudem - als Ursache der vorgegebenen Oberflächenstrukturen der Laufschaufeln nur - "wild hin und her gehende" Lichtreflexe empfangbar wären, die vergleichsweise unsaubere Signale liefern würden.

Aufgrund des Aufbaus der beschriebenen Sonde ist der Beleuchtungs fleck auf der Schaufel kreisförmig. Hieraus ergeben sich folgende Nachteile: Ist der Durchmesser sehr klein, erhält man wegen der Schaufeloberflächenstruktur starkt strukturierte Signale, wechselnd von Umdrehung zu Umdrehung, mit entsprechenden Nachteilen für die Triggergenauigkeit. Wäre der Durchmesser größer, könnte zwar eine Mittelung über die Strukturen erfolgen, gleichzeitig würden aber die Signalflanken flacher, ebenfalls mit Nachteilen für die Triggergenau igkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signaleinrichtung für Turbomaschinen anzugeben, mit der, insbesondere durch die Ausbildung und Anordnung einer optischen Sonde, bei laufender Turbomaschine über die Laufschaufeln von Umdrehung zu Umdrehung des Rotors optimal re produzierbare und im Hinblick auf betriebliche Einflüsse und Vorgaben weitestgehend gleichförmige Signale erzeugt werden können.

Die gestellte Aufgabe ist durch Patentanspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung können Signale mit u. a. folgen den vorteilhaften Eigenschaften bereitgestellt werden:

- Schwach strukturiert, d. h., die Signalform ist weitestgehend unbe einträchtigt von der materialseitig und gegebenenfalls durch me chanische Bearbeitung (Schliff) oder Abarbeitung (an Einlaufbelägen) vorgegebenen Oberflächenstruktur der Laufschaufel stirnflächen;
- von Umdrehung zu Umdrehung reproduzierbar;
- steile Signalflanken;
- geringe Intensitätsschwankungen bei - im einem verhältnismäßig großen definierten Bereich - veränderlichem Abstand zwischen Sonde und Schaufel.

Die Einrichtung nach der Erfindung ist vorzugsweise für den Einsatz an axial durchströmten Verdichtern oder Turbinen, von Turbo-, insbe sondere Gasturbinentriebwerken, geeignet. In einer Radialbohrung des Verdichter- oder Turbinengehäuses ist die optische Sonde im ge wünschten Abstand von vorzugsweise 0,5 bis 2,5 mm zu den Schaufel stirnflächen fixiert. Gemäß der Erfindung wird bei jedem Schaufel durchlauf durch den Beleuchtungsstrahl ein elliptischer Beleuchtungs fleck auf der jeweiligen Schaufelstirnfläche abgebildet. Vor der Befestigung am Gehäuse braucht die Sonde lediglich in Umfangsrichtung soweit verdreht zu werden, daß die große Achse des elliptischen Be leuchtungsstrahls örtlich parallel z. B. zur druckseitigen Kante an einer Schaufelstirnfläche ausgerichtet wird und die kleine Ellipsen achse (kleinster Strahldurchmesser) damit quer zur betreffenden Kante verläuft. Dabei wird vorausgesetzt, daß beim Bau der Sonde der Beleuchtungsstrahl über die in der Sonde enthaltene Beleuchtungs-, insbesondere Einmoden-Lichtleitfaser, auf den Verlauf der Sondenachse ausgerichtet worden ist. Der Signalanstieg bzw. Signalabfall ergibt sich also aus der Zeit, die die druck- bzw. saugseitige Kante der betreffenden Schaufelstirnfläche zum Durchqueren des elliptischen Beleuchtungsstrahls benötigt.

Die Strahlaufweitung parallel zur betreffenden Kante führt zu einer starken Reduzierung des Einflusses der Oberflächenstruktur der Schau fel auf das empfangene, aus dem reflektierten Licht gewonnene Signal. Die angestrebte Anstiegsgeschwindigkeit des Signals wird dabei nicht nachteilhaft beeinflußt. Die angegebene Fokussierung des Beleuch tungsstrahls quer zur betreffenden Kante ergibt kurze Anstiegszeiten des Sondensignals.

Die Ausbildung und Anordnung der Deckscheibe im Empfangsteil bzw. -zweig der Sonde ermöglicht eine großen Empfangsraumwinkel, da von den Schaufeln reflektiertes Licht von einer verhältnismäßig großen Scheibenfläche empfangen werden kann. Als Folge der angegebenen kan tenparallelen Aufweitung des Beleuchtungsstrahls ist die vorteilhafte Bauweise nach Anspruch 2 möglich (Justierung der Lichtleitfaser für die Sondenbeleuchtung). Ferner ergibt sich aus Anspruch 4 eine vor teilhafte optische Trennung des Sende- und Empfangsteils bzw. -zweigs der Sonde durch die Anordnung und Ausbildung der rohrförmigen Blende innerhalb der Ausnehmung, die wiederum - trotz der Blende - vom emp fangenen Licht weitestgehend gleichmäßig ausleuchtbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 5 bis 13.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielhaft weiter erläu tert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Perspektivdarstellung der optischen Sonde an einem teilweise auf- und abgebrochen gezeichneten Gehäu seabschnitt einer Turbomaschine unter Zuordnung der radial äußeren Stirnfläche eines Laufschaufelabschnitts zum Be leuchtungsstrahl der Sonde in Abbildung eines elliptischen Beleuchtungsflecks auf der Stirnfläche sowie unter Einschluß der relativen Schaufel- bzw. Rotordrehrichtung D,

Fig. 2 einen Mittellängsschnitt der optischen Sonde in stirnsei tiger Zuordnung zu einem einseitig abgebrochenen Schau felabschnitt, worin der prinzipielle Sondenaufbau verdeut licht ist,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt des Turbomaschinengehäuses nebst zugeordneten Laufschaufeln am Rotor und zugeordneter optischer Sonde am Gehäuse, die mit einer Lichtquelle für die Erzeugung des Beleuchtungsstrahls, mit einem optischen Empfänger und mit einer Triggereinheit gekoppelt ist, je weils in schematischer Darstellung,

Fig. 4 den Detail-Aufbau der optischen Sonde nach Fig. 2, eben falls als Mittellängsschnitt dargestellt und

Fig. 5 eine Befestigungsalternative der Sonde am Gehäuse relativ zu einer Laufschaufel, wobei diese Alternative an einem längs geschnittenen, beidseitig abgebrochenen Gehäuseabschnitt in Verbindung mit einem ebenfalls örtlich abgebrochen ge zeichneten Schaufelabschnitt verdeutlicht ist.

Es wird eine Signaleinrichtung für Turbomaschinen angegeben und ge zeigt, die bei laufender Turbomaschine genau zu den Zeitpunkten Signale liefert, an denen die Laufschaufeln 1 eine definierte Um fangsposition relativ zum Gehäuse 2 der Turbomaschine durchlaufen. Dazu wird eine optische Sonde 3 eingesetzt, die in Richtung auf den Rotor 5 (Fig. 3) einen fokussierten Beleuchtungsstrahl 6 (Fig. 1 und 2) aussendet, der von jeder Laufschaufel 1 durchlaufen wird; die Signale werden aus dem von den Laufschaufeln 1 reflektierten Licht gewonnen. Wie man aus Fig. 1, 3 und 5 erkennt, soll die Sonde 3 über die Stirnseite am Kopfteil 7 radial mit Abstand oberhalb der Stirnflächen 4 (Fig. 1) der freien Laufschaufelenden am Gehäuse 2 befestigt sein. In Fig. 1 und 3 ist die Sondenfestlegung und -anordnung am Gehäuse 4 schematisch angegeben. Fig. 3 zeigt beispielhaft die Sondenbefestigung über einen umlaufenden Bund 8, außen am Gehäuse 2, wobei das Kopfteil 7 in einer radialen Durchgangsbohrung 9 des Gehäuses 2 sitzt. Eine besondere und für die Praxis bevorzugte Befestigungsalternative der Sonde 3 am Gehäuse 2 wird in Verbindung mit Fig. 5 später im Detail beschrieben.

Gemäß Fig. 2 und 4 weist die Sonde 3 eine Sendelichteitfaser 10 für das Aussenden und mehrere Empfangslichtleitfasern 11 für das Empfangen von Licht, eine Zylinderlinse 12 und eine teilweise streuende Deckscheibe 13 auf; die Sonde 3 ist so ausgebildet und am Gehäuse 2 angeordnet, daß die in ihr enthaltene Linse 12 ein divergent aus der zentralen Licht leitfaser 10 austretendes Lichtbündel 13′ in einer Ebene fokussiert und dadurch den Beleuchtungsstrahl 6 erzeugt. Wie aus Fig. 1 ersicht lich, wird so auf der betreffenden Stirnfläche 4 ein elliptischer Beleuchtungsfleck 14 abgebildet, wobei dessen große Ellipsenachse im wesentlichen parallel zu beiden oder einer der beiden druck- bzw. saugseitigen Kanten K, K′ ausgerichtet ist, die kleine Ellipsenachse damit quer zum Kantenverlauf auf der Schaufelstirnfläche 4 verläuft. Ein Teil TL (Fig. 2) des jeweils von den Schaufelstirnflächen 4 in den Raumwinkelbereich L reflektierten Lichts wird über die überwiegend diffus streuende Deckscheibe 13 in die Empfangslichtleitfasern 11 eingekoppelt. Diese können gleichmäßig über dem Umfang verteilt sowie mit radialem Abstand und parallel zur Sondenachse angeordnet sein.

Um beim Einbau der Sendelichtleitfaser 10 in den Einsatz 23 eine Ausrich tung des Beleuchtungsstrahls parallel zur Längsachse der Sonde zu ermöglichen, kann wie insbesondere der Fig. 4 entnehmbar ist, die Sendelichtleitfaser 10 relativ zur Position der Linse 12 und der Längsachse der Sonde exzentrisch in einer Hülse 15 des Sondenkörpers geführt sein, die in Umfangsrichtung verdrehbar und festlegbar ist. Hierzu ist die Hülse 15 in Längsrich tung exzentrisch durchbohrt, wobei ein Endabschnitt der Sende lichtleitfaser 10 mit einem Einsatzstück 16 (Fig. 4) innerhalb der exzentrischen Längsbohrung der Hülse 15 festgelegt ist.

Die Deckscheibe 13 (Fig. 2) deckt eine am Kopfteil 7 der Sonde 3 aus gebildete, auf der Stirnseite der Sonde offene Gehäuseausnehmung 17 ab und ist außerhalb eines zentralen, optisch polierten Scheibenab schnitts 18′ diffus streuend ausgebildet. Der von der Linse 12 fo kussierte Beleuchtungsstrahl 6 durchläuft die Ausnehmung 17 innerhalb einer koaxialen, rohrartigen Blende 18, die mit einem axia len Abstand vor dem zentralen Scheibenabschnitt 18′ frei endet, den der Beleuchtungsstrahl 6 durchquert. Die rohrförmige Blende 18 verhindert ein Übersprechen zwischen Sende- und Empfangszweig am Kopfteil 7 der Sonde 3. Die Ausnehmung 17 kann mit dem von den Laufschaufeln 1 reflektierten und vom diffus streuenden Abschnitt der Deckscheibe 13 innerhalb des Raumwinkelbereichs L empfangenen Licht im wesentlichen gleichmäßig ausgeleuchtet werden, wobei ein Teil dieses Lichts in den Raumwinkelbereich TL gelangt und in die betreffenden einseitig am Boden der Ausnehmung 17 endenden Empfangslichtleitfasern 11 eingekoppelt wird.

Als Lichtquelle 19 (Fig. 3) kann ein Laser verwendet werden, wobei das bereitgestellte Licht auf der von der Zylinderlinse 12 abgewandten Seite in die Sendelichtleitfaser 10 eingekoppelt wird. Vorzugsweise kann diese Sendelichtleitfaser 10 als Einmoden-Lichtleitfaser ausgebildet sein. Das in die Empfangslichtleitfasern 11 (Fig. 2) sequenzweise eingekoppelte Licht kann auf der vom Kopfteil 7 abgewandten Endseite der Sonde 3 zu einem optischen Empfänger 20 (Fig. 3) weitergeleitet und über eine mit dem Empfänger 20 gekoppelte Triggereinheit 21 in das der definierten Umfangsposition entsprechende elektrische Signal umgewandelt werden.

Gemäß Fig. 4 weist die Sonde 3 ein zylindrisches Gehäuse 22 mit einem koaxial darin festlegbaren Einsatz 23 auf, der mit einer zentralen axialen Bohrung 24 für die in Umfangsrichtung verdrehbare Hülse 15 ausgestattet ist. Ferner weist der Einsatz 23 in radialem Abstand und parallel zur Hülse 15 sich erstreckende Bohrungen 24 für hülsenförmi ge Einsatzteile 25 auf, in denen die für Empfangs lichtleitfasern 11 (s.h. auch Fig. 2) innerhalb der Sonde 3 geführt und befestigt sind.

Die am Kopfteil 7 der Sonde 3 enthaltene Ausnehmung 17 wird von einem Abschnitt des zylindrischen Gehäuses 22 bereitgestellt, der den Ein satz 23 axial überkragt. Der ausleuchtbare Teil der Ausnehmung 17 wird axial durch die stirnseitig angeordnete, überwiegend diffusstreuende Deckscheibe 13 und eine auf der einen Endseite des Einsatzes 23 auf sitzende Scheibe 26 begrenzt, die zugleich Träger der axial durch die Ausnehmung 17 geführten rohrförmigen Blende 18 ist. Die rohrförmige Blende 18 steht über eine zentrale Scheibenbohrung 27 mit einem Ab schnitt der axialen zentralen Bohrung 24 für die Hülse 15 in Verbin dung, in dem die Zylinderlinse 12 angeordnet ist. Die Scheibe 26 weist auf die örtliche Position der betreffenden Enden der Empfangslichtleitfasern 11 abgestimmt angeordnete Öffnungen 28 auf.

Wie ferner aus Fig. 4 entnommen werden kann, sind die Scheibe 26 mit der rohrförmigen Blende 18 und die überwiegend diffusstreuende Deckscheibe 13 durch einen Abstandsring 29 innerhalb der Ausnehmung 17 axial mit Abstand gehalten, wobei sich die Deckscheibe 13 entlang einer abge schrägten äußeren Endfläche an einem rotationssymmetrischen Vorsprung 30 des zylindrischen Gehäuses 22 am Kopfteil 7 der Sonde 3 abstützt.

Das zylindrische Gehäuse 22 ist auf der vom Kopfteil 7 der Sonde 3 abgewandten Endseite mit einem silikonummantelten Metallschlauch 31 verbunden; die Silikonummantelung bildet nach örtlicher zangenartiger Zusammendrückung des in diesem Bereich mit einem Innengewinde 32 versehenen Gehäuses 22 mit diesem eine formschlüssige Verbindung aus. Bohrungen 33 verhindern ein Ausbreiten der beim Crimpvorgang auf tretenden mechanischen Belastungen in den vorderen Bereich des Son dengehäuses (7, 8). Für die Zusammendrückung kann eine Crimpzange verwendet werden, deren Zangenbacken auf die örtlich gewünschte Ge häusegeometrie der Sonde abgestimmt sind.

Der Einsatz 23, die Scheibe 26 und der Abstandsring 29 können mit dem zylindrischen Gehäuse 22 der Sonde 3 verklebt werden, wobei das zy lindrische Gehäuse 22 radiale Durchgangsbohrungen 35, 36, 37 für die örtliche Zufuhr des Klebemittels aufweist. Auch die hülsenförmigen Einsatzteile 25 für die Empfangs-Lichtleitfasern 11 können innerhalb der betreffenden Bohrungen 24′ mit dem Einsatz 23 verklebt werden, wobei der Einsatz 23 radiale Durchgangbohrungen 36′ für die Zufuhr eines Klebemittels aufweist.

Durch die Bauweise nach Fig. 2 und/oder Fig. 4 wird eine Sonde 3 mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen geschaffen. Z. B. entspricht das in Fig. 4 angegebene Längenmaß einem tatsächlichen Längenmaß von 5 mm. Auch ergibt sich insbesondere gemäß Fig. 4 mit verhältnismäßig wenigen Bauteilen ein kompakter, montagefreundlicher und vibrations beständiger Aufbau.

Fig. 5 zeigt eine praktikable, einfach handhabbare Halterungs- und Befestigungsmöglichkeit der Sonde.

Dabei ist die Sonde 3 von der Außenseite des Gehäuses 2 aus in eine radiale Durchgangsbohrung 9 eingesetzt, die an der Innenseite des Gehäuses 2 auf einen kleineren Durchmesser verengt ist. Ein Abschnitt A der Bohrung mit dem kleineren Durchmesser ist durch einen Einlauf belag 38 für die Laufschaufeln 1 hindurchgeführt, der sich axial und über dem Umfang des Gehäuses 2 auf der Innenseite erstreckt. Inner halb des axial wesentlich längeren Abschnitts B der Durchgangsbohrung mit dem großen Durchmesser sitzt die Sonde 3 mit dem Bund 8 auf einem Distanzring 39 auf, der die Sonde 3 am äußeren Umfang axial teilweise umfaßt. Auf der vom Distanzring 39 abgewandten Seite ist die Sonde 3 mit dem Bund 8 an einem Haltering 40 im Abschnitt B der Durchgangs bohrung axial abgestützt. Der Haltering 40 ist durch eine axiale Ausnehmung von der Größe des Durchmessers des silikonummantelten Metallschlauches 31 unterbrochen. Die Sondenfixierung erfolgt durch einen von außen mit dem Gehäuse 2 verschraubten (S) Befestigungs flansch 41, der mit einem zylindrischen Abschnitt 42 im Abschnitt B der Durchgangsbohrung unter axialer Andrückung am Haltering 40 auf sitzt. Mit ihrer Stirnseite am Sondenkopf 7 ragt die Sonde 3 in den Einlaufbelag 38 hinein. Selbst bei extremen Radialspaltänderungen der Laufschaufeln 1 bzw. Änderungen der radialen Abstände zwischen den Schaufelstirnflächen 4 und der Sondenstirnseite - gegebenenfalls ver bunden mit Anstreifvorgängen der Schaufeln 1 am Einlaufbelag 38 - sind optimale Signale erzielbar.

Besonders gute Ergebnisse der Sonde 3 nach der Erfindung ergeben sich mit folgenden Eigenschaften:

Optisch:

Arbeitsabstand:
0,5 bis 2,5 mm zwischen Sondenstirnseite und Schau felstirnflächen 4
Strahldurchmesser:
etwa 50 µm (quer zur betreffenden Schaufelkante K bzw. K′)
etwa 1 mm (parallel zur betreffenden Schaufelkante K bzw. K′)
Änderung der Signalamplitude: <±pm
20%
Untergrundsignal (Abstand <30mm): Amplitude <2% der maximalen Am plitude.

Die Sonde 3 liefert somit schwach strukturierte, stabile Signale mit steilen Flanken, bei großer Tiefenschärfe und vernachlässigbarem Signaluntergrund von den Schaufelfüßen.

Mechanisch:

Abmessungen: Durchmesser = 8 mm, Länge = 22 mm.

Claims

1. Signaleinrichtung für Turbomaschinen, die bei laufender Tur bomaschine Signale genau zu den Zeitpunkten liefert, an denen die Laufschaufeln (1) eine definierte Umfangsposition relativ zum Gehäuse (2) der Turbomaschine durchlaufen, mit einer optischen Sonde (3), die mit einer Lichtquelle zusammenarbeitet und die in Richtung auf den Rotor (5) einen fokussierten Beleuchtungsstrahl (6) aussendet, der von jeder Laufschaufel durchlaufen wird, wobei

- die Signale aus dem von den Laufschaufeln reflektierten Licht erzeugt sind,
- die Sonde (3) mit ihrem Kopfende radial mit Abstand gegenüber den Stirnflächen (4) der freien Laufschaufelenden am Gehäuse (2) festgelegt ist,
- die Sonde (3) eine Sendelichtleitfaser (10) und Empfangslicht leitfasern (11) für das Aussenden bzw. Empfangen von Licht, eine der Sendelichtleitfaser (10) optisch nachgeschaltete Zy linderlinse (12) und eine Deckscheibe (13), die einen zentralen polierten Scheibenabschnitt (18′), der von einem diffus streuen den Scheibenabschnitt umgeben ist, aufweist,
- die Zylinderlinse (12) ein divergent aus der Sendelichtleit faser (10) austretendes Lichtbündel (13′) in einer von den Laufschaufeln zu durchlaufenden Ebene fokussiert, so daß der Beleuchtungsstrahl (6), der den polierten Scheibenabschnitt (18′) durchquert, einen elliptischen Querschnitt derart auf weist, daß die große Ellipsenachse im wesentlichen parallel zur druck- oder saugseitigen Kante (K, K′) der Laufschaufelstirnflä chen (4) ausgerichtet ist,
- ein Teil des von den Laufschaufelstirnflächen (4) reflektierten Lichts über den diffus streuenden Scheibenabschnitt der Deck scheibe (13) in die Empfangslichtleitfasern (11) eingekoppelt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen delichtleitfaser (10) relativ zur Position der Zylinderlinse (12) und der Längsachse der Sonde exzentrisch in einer Hülse (15) des Sondenkörpers geführt ist, die in Umfangsrichtung verdrehbar und festlegbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Deckscheibe (13) eine an einem Kopfteil (7) der Sonde (3) ausgebildete, auf der Stirnseite der Sonde offene Ausnehmung (17) abdeckt;
- mit dem von den Laufschaufelstirnflächen (4) reflektierten und von der Deckscheibe (13) innerhalb eines Raumwinkelbereichs (L) empfangenen Licht die Ausnehmung (17) im wesentlichen gleich mäßig ausleuchtbar ist, wobei ein in einen weiteren Raumwinkel bereich (TL) fallender Teil dieses Lichts in die betreffenden einseitig am Boden der Ausnehmung (17) endenden Empfangs lichtleitfasern (11) eingekoppelt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Zylinderlinse (12) fokussierte Beleuchtungsstrahl (6) die Ausnehmung (17) innerhalb einer koaxialen, rohrförmigen Blende (18) durchläuft, die mit geringem Abstand vor dem zentralen poli erten Scheibenabschnitt (18′) frei endet.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß ein Laser als Lichtquelle (19) das der Zylinderlinse (12) abgewandte Ende der Sendelichtleitfaser (10) beaufschlagt.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß das in die Empfangslichtleitfasern (11) sequenzweise eingekoppelte Licht auf der vom Kopfteil (7) abge wandten Endseite der Sonde (3) zu einen optischen Empfänger (20) weitergeleitet, ist, der mit einer Triggereinheit (21) gekoppelt ist, die das der definierten Umfangsposition entsprechende elek trische Signal erzeugt.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendelichtleitfaser eine Einmoden-Lichtleitfaser ist.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Sonde (3) ein zylindrisches Gehäuse (22) mit einem koaxial darin festlegbaren Einsatz (23) aufweist, der mit einer zentralen axialen Bohrung (24) für die in Umfangs richtung verdrehbare Hülse (15) ausgestattet ist und der in ra dialem Abstand und parallel zur Hülse (15) sich erstreckende Boh rungen (24′) für hülsenförmige Einsatzteile (25) aufweist, in denen die Empfangslichtleitfasern (11) innerhalb der Sonde (3) geführt und befestigt sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die am Kopfteil (7) der Sonde (3) enthaltene Ausnehmung (17) von einem Abschnitt des zylindrischen Gehäuses (22) bereitgestellt wird, der den Einsatz (23) axial überkragt, wobei der ausleuchtbare Teil der Ausnehmung (17) axial durch die stirnseitig angeordnete, teilweise streuende Deckscheibe (13) und eine auf der Endseite des Einsatzes (23) aufsitzende Scheibe (26) begrenzt ist, die zugleich Träger der axial durch die Ausnehmung (17) geführten rohrförmigen Blende (18) ist, die über eine zentrale Scheibenbohrung (27) mit einem Abschnitt der axialen zentralen Bohrung (24) für die Hülse (15) in Verbindung steht, in dem die Zylinderlinse (12) angeordnet ist, wobei die Scheibe (26) auf die örtliche Position der betreffenden Lichtleitfaserenden abgestimmt angeordnete Öffnungen (28) auf weist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (26) mit der rohrförmigen Blende (18) und die Deckscheibe (13) durch einen Abstandsring (29) innerhalb der Ausnehmung (17) axial mit Abstand gehalten sind, wobei sich die Deckscheibe (13) entlang einer abgeschrägten äußeren Endfläche an einem rotations symmetrischen Vorsprung (30) des zylindrischen Gehäuses (22) am Kopfteil (7) der Sonde abstützt.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Gehäuse (22) auf der vom Kopfteil (7) der Sonde (3) abgewandten Endseite mit einem silikonummantelten Me tallschlauch (31) verbunden ist, in dem der Silikonmantel nach örtlicher äußerer zangenartiger Zusammendrückung des in diesem Bereich mit einem Innengewinde (32) versehenen Gehäuses (22) mit dem Gewinde (32) eine formschlüssige Verbindung bildet, wobei im Verbindungsbereich angeordnete Bohrungen (33) des Gehäuses (22) ein Ausbreiten der beim Grimpvorgang auftretenden mechanischen Belastungen in den vorderen Gehäusebereich der Sonde (3) verhin dern.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (23), die Scheibe (26) und der Abstandsring (29) mit dem zylindrischen Gehäuse (22) der Sonde (3) verklebt sind, wobei das zylindrische Gehäuse (22) Durchgangsbohrungen (35, 36, 37) für die örtliche Zufuhr des Klebemittels aufweist.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die hülsenförmigen Einsatzteile (25) für die Empfangslichtleitfasern (11) innerhalb der betreffenden Bohrungen (24′) mit dem Einsatz (23) verklebt sind, wobei der Einsatz (23) Durchgangsbohrungen (36′) für die Zufuhr eines Kle bemittels aufweist.