DE602004006833T2

DE602004006833T2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der entfernung zwischen dem mantelring und der schaufelspitze einer turbine

Info

Publication number: DE602004006833T2
Application number: DE602004006833T
Authority: DE
Inventors: Ken-Yves Haffner; Andreas Kempe; Thomas Roesgen; Stefan Schlamp
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: EP1588123B1; EP1588123A2; JP2006515679A; US20060002789A1; WO2004068064A2; DE602004006833D1; US7400418B2; WO2004068064A3; EP1445577A1; ATE364166T1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Spalts zwischen einem Turbinendeckband und einer Turbinenschaufelspitze nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Spalts nach Anspruch 11.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2–10 und 12–15.
Allgemeiner Stand der Technik
Verlustströmungen, d.h. Fluid, das durch den Spalt zwischen den Schaufelspitzen und dem Deckband einer Turbine oder eines Kompressors strömt, sind für einen wesentlichen Anteil der Gesamtverluste in Gasturbinen verantwortlich und können außerdem lokal die Wärmeübertragung erhöhen. Aufgrund von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und Aufheizgeschwindigkeiten ist der Spalt an der Schaufelspitze nicht konstant, sondern verändert sich während des Hochfahrens und Herunterfahrens der Turbine. Außerdem vergrößert sich der Spalt an der Schaufelspitze im Laufe der Zeit allmählich durch Verschleiß. Die Turbine muss so konstruiert werden, dass die Schaufeln das Turbinendeckband unter normalen Betriebsbedingungen nicht berühren, da dies zu einem übermäßigen Verschleiß oder sogar zu einer Beschädigung führen würde.
Wenn Echtzeitdaten des Spalts an der Schaufelspitze vorliegen, könnten zukünftige Turbinen in der Lage sein, den Spalt an der Schaufelspitze durch Einstellung der Kühlluftmenge, welche den Schaufeln oder dem Deckband zugeführt wird, aktiv zu steuern. Eine Überwachung des Spalts an der Schaufelspitze kann auch wertvolle Informationen über den Zustand der Stufe für die Wartung liefern. Gegenwärtige Messfühler für den Spalt an der Schaufelspitze sind von einem induktiven oder kapazitiven Typ, wie etwa in US-B1-6,437,583 , US-A-6,114,862 , US-B1-6,320,394 oder US-B1-6,362,633 beschrieben, und weisen eine Genauigkeit von normalerweise 5% auf. Dies ist dann ausreichend, wenn der Messfühler bündig mit dem Turbinengehäuse angebracht werden kann und die absoluten Fehler klein gehalten werden können. Die maximale Betriebstemperatur der Sensoren liegt nahe der Curie-Temperatur der verwendeten Seltene-Erden-Magnete, welche deutlich unter der Temperatur in den ersten Turbinenstufen liegt. Die hohen Temperaturen machen es auch unmöglich, einen optischen Zugang für die optischen Messfühler vorzusehen, der mit dem Deckband bündig ist. Wenn die Messfühler in einer ihrem Schutz dienenden Aussparung innerhalb des Deckbandes angebracht werden, werden die relativen Messfehler, was ihren absoluten Betrag anbelangt, zu groß.
In US-A-5,572,039 wird eine Vorrichtung offenbart, welche es ermöglicht, den Spalt zwischen Dichtrippen an rotierenden Schaufeln und einer benachbarten feststehenden Konstruktion während der Rotation zu beobachten, und welche lichtbrechende Prismen an der feststehenden Konstruktion aufweist, die so angeordnet sind, dass sie Dichtrippen an den Schaufeln überspreizen. Die Schaufelstufe wird auf ihrer zugehörigen Scheibe zu der feststehenden Konstruktion hin bewegt, und Licht, welches durch die Prismen gebrochen wird, wird durch die Rippen verdeckt. Bei einer Ausführungsform wird das Verhältnis von verdecktem zu nicht verdecktem Licht verwendet, um elektrische Signale zu erzeugen, welche dann so verarbeitet werden, dass die Größe des Spalts angegeben wird.
US-A-5,739,524 betrifft einen dynamischen Sensor zum Erfassen des Abstands und der Position einer Fläche, die sich an diesem Sensor vorbei bewegt.
In EP 0 762 078 wird ein optisches Verfahren zur Messung der Dicke und des Brechungsindex einer durch sichtigen Folie offenbart, die eine einzige Schicht oder mehrere Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufweist. Die zu messende Folie wird zwischen zwei Flächen angeordnet, die als Referenzflächen dienen. Die Folie wird mittels Licht mit geringer Kohärenz gemessen, das auf die Referenzflächen und durch die Folie hindurch gerichtet wird, und indem die Dicke und der Brechungsindex mit Hilfe von Interferenzsignalen bestimmt werden, die aus dem Licht resultieren, das von den Referenzflächen und von der Vorder- und Rückseite der durchsichtigen Folie reflektiert wird.
In US 5,448,357 wird ein optisches heterodynes System offenbart, das eine Lichtquelle verwendet, die Lichtstrahlen mit zwei verschiedenen Wellenlängen und gegenseitiger Kohärenz erzeugt, zur Erkennung der Position eines Objekts mit Hilfe von Interferenzsignalen, die aus Lichtsignalen, die durch ein an dem zu messenden Objekt angeordnetes Gitter gebeugt werden, und Lichtsignalen, die von den Flächen eines Kersten-Prismas reflektiert werden, resultieren.
In US 5,612,813 wird ein optischer Isolator offenbart, der einen Faraday-Rotator mit einer Ausrichtung seiner TE-Ebene zwischen den Polarisationsebenen der Polarisationsfilter enthält.
In US 5,422,477 wird ein optisches System zum Erfassen der Rotation eines drehbaren Objekts und gleichzeitigen Erfassen der Position eines verschiebbaren Objekts offenbart. Das System weist eine elektrooptische Einheit auf, welche unter anderem ein intensitätsmoduliertes (IM) und rf gechirptes optisches Signal erzeugt, welches mittels einer optischen Faser zu einem Positionssensor geleitet wird, der in 4 dargestellt ist. Der Positionssensor weist eine Kollimatorlinse und einen rückstrahlenden Eckwürfel, der an dem Objekt befestigt ist, auf. Die Position des Objekts wird mittels einer Messwandlereinheit und anhand der Zeit, um die das IM optische Signal durch seinen Weg zu dem Objekt und zurück verzögert wird, bestimmt.
Kurzdarstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Messfühlerkonfiguration und ein Verfahren zur Messung des Spalts zwischen einer sich bewegenden Turbinenschaufelspitze und einem Turbinendeckband bereitzustellen, wobei der Messfehler unabhängig von dem Abstand zwischen einem Messfühler und einer Schaufelspitze ist, derart, dass der Sensor in den ersten Turbinenstufen verwendet werden kann, indem er in einer gekühlten Aussparung angebracht wird.
Gemäß der Erfindung wurde ein Verfahren zur Bestimmung des Spalts zwischen einem Turbinendeckband und einer Turbinenlaufschaufelspitze, wie in den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben, bereitgestellt. Die Erfindung hat außerdem eine Vorrichtung zur Bestimmung des Spalts zwischen einem Turbinendeckband und einer Turbinenlaufschaufelspitze, wie in den Merkmalen von Anspruch 11 angegeben, zum Gegenstand.
Zum Einstellen des Verhältnisses der Intensität der Strahlen zwischen dem Referenzarm und dem Messarm (Verzögerungsarm) kann ein variabler Dämpfer im Referenzarm angeordnet werden. Um die empfindliche Lichtquelle vor Rückstrahlung zu schützen, kann ein faseroptischer Isolator zwischen der Lichtquelle und der Kollimatorlinse angeordnet werden. Das Verfahren kann ferner den Schritt des Filterns des Strahls nach dem Schritt des Kombinierens der Strahlen von dem Referenzarm und dem Messarm in einem Strahlkombinierer (Beam Combiner) und vor dem Schritt des Nachweisens der Intensität des Leistungsspektrums bei der gewählten Frequenz mittels eines optischen Filters aufweisen.
Das Aussenden und Nachweisen des Lichts mit geringer Kohärenz zu der und von der Kollimatorlinse und Schaufelspitze kann mittels eines Zirkulators erfolgen, oder über zwei separate Fasern für das zu dem Objekt abgehende und das von dem Objekt kommende Licht. Die Summe der zwei Faserlängen muss dann durch eine feste Verzögerung in dem Messarm kompensiert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Spalt zwischen einem Deckband und einer sich bewegenden Turbinenschaufelspitze bestimmt werden. Die Kollimatorlinse wird dann an dem Deckband angeordnet, z.B. in einer gekühlten Aussparung. Der Spalt kann dann während des Betriebs der Turbine bestimmt werden, z.B. während des Hochfahrens oder Herunterfahrens der Turbine. Es ist auch möglich, den Spalt mehrerer Turbinenschaufeln während ihrer Vorbeibewegung an einer einzigen Kollimatorlinse, die an dem Deckband angeordnet ist, zu bestimmen. Gleichzeitig mit dem Spalt an der Schaufelspitze werden die Schaufeldurchlaufzeiten gemessen, was die Erkennung von Schaufelschwingungen ermöglicht (Schaufelspitzen-Zeitablauf [Tip Timing]).
Kurzbeschreibung der Figuren
Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, wobei:
1 einen Versuchsaufbau des Interferometers für geringe Kohärenz zeigt,
2 die Reflexionen von den Flächen der Kollimatorlinse und der Schaufelspitze zeigt,
3 die Kohärenzfunktion der Superlumineszenz-Diode zeigt (Intensität des Leistungsspektrums bei 55 MHz [dB] in Abhängigkeit von der Verzögerung t [μm]), und
4 die Intensität des Leistungsspektrums bei 55 MHz [dB] in Abhängigkeit von der Verzögerung für ein mit 60 Hz rotierendes Prüfobjekt für einen simulierten Spalt an der Schaufelspitze von 4,8 mm zeigt.
Die Zeichnungen zeigen nur Teile, welche für die Erfindung wichtig sind.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Interferometers für geringe Kohärenz gemäß der vorliegenden Erfindung zur Messung des Spalts an der Schaufelspitze D zwischen einer Spitze 15 einer Turbinenschaufel 14 und dem Deckband 16 einer Turbine. Als Lichtquelle 1 emittiert eine Superlumineszenz-Diode, wie zum Beispiel eine Superlum Diode, Modell SLD56-HP2, 10 mW ex Einmodenfaser mit 1310 nm, 35 nm Spektralbreite, 10^–3 maximal zulässige Rückstreuung, Licht mit geringer Kohärenz in eine Einmodenfaser. Ein faseroptischer Isolator 2 (< –60 dB Rückstreuung) schützt die empfindliche Lichtquelle vor Rückstrahlung. Das Licht läuft durch einen optischen Zirkulator 3 und eine Kollimatorlinse 13 zu der Turbinenschaufel 14 (in 1 nicht dargestellt).
Wie aus 2 ersichtlich, ist die Kollimatorlinse 13 bündig mit dem Deckband 16 angeordnet, z.B. in einer gekühlten Aussparung. Der Spalt D kann dann während des Betriebs der Turbine bestimmt werden, z.B. während des Hochfahrens oder Herunterfahrens der Turbine. Es ist auch möglich, den Abstand D mehrerer Turbinenschaufeln 14 während ihrer Vorbeibewegung an einer einzigen Kollimatorlinse 13, die an dem Deckband 16 angeordnet ist, zu bestimmen. ῳ bezeichnet die Drehzahl der Turbinenschaufel 14. Wie aus 2 ebenfalls ersichtlich ist, wird ein kleiner Teil des Lichts 12 von der sich vorbeibewegenden Schaufelspitze 15 zurück auf die Kollimatorlinse 13 und in die Faser hinein zum Zirkulator 3 hin reflektiert, wo er in das Interferometer geleitet wird. In ähnlicher Weise werden kleine Teile des ursprünglichen Lichts 12 von beiden Flächen der Kollimatorlinse 13 durch Fresnelreflexion reflektiert (Strahlen B und C). Das von den Schaufelspitzen 15 reflektierte Licht wird als Strahl A bezeichnet, und das von der vorderen und hinteren Fläche der Linse reflektierte Licht wird als Strahlen B bzw. C bezeichnet. Es sind mehrfache innere Reflexionen möglich, diese werden durch zusätzliche Sternchen bezeichnet.
Das Licht von der Turbine wird durch einen Strahlteiler 4 in zwei Interferometerarme geteilt. Im Referenzarm verschiebt ein akustooptischer Modulator 5 die Frequenz um 55 MHz, und ein variabler Dämpfer 6 ermöglicht eine Einstellung des Intensitätsverhältnisses zwischen dem Referenzarm und dem Messarm. Der Messarm enthält eine motorisierte variable Verzögerungsleitung 7 (General Photonics, Verzögerung 0–330 ps, Schritte 0,3 μm, Bewegung 10 mm/s). Die zwei Arme werden mit einem Strahlkombinierer (Beam Combiner) 8 kombiniert. Ein Lichtempfänger (New Focus, Modell 1811, 900–1700 nm, 125 MHz Bandbreite) wird als Detektor 10 verwendet. Es sind Vorbereitungen für ein optisches Filter 9 getroffen, welches vor dem Detektor 10 verwendet werden kann, um ein Rauschen infolge von Strömungs-Luminosität in der Turbine herauszufiltern. Die Daten werden auf einem digitalen Speicheroszilloskop aufgezeichnet und vorverarbeitet und zu einem Personalcomputer 11 übertragen.
3 zeigt die Kohärenzfunktion der Lichtquelle 1. Die -3dB-Breite beträgt nur 140 μm, und zwei Lichtstrahlen können daher miteinander interferieren, wenn die Weglängendifferenz kleiner als diese Kohärenzlänge ist. Wir bezeichnen die Weglänge der zwei Interferometerarme (zwischen dem Strahlteiler 4 und dem Strahlkombinierer 8) mit I_ref und I_delay. Die Weglänge des Strahls A zwischen der Turbine und dem Interferometer ist länger als die der Strahlen B und C. Wie aus 2 ersichtlich, ist D der Abstand zwischen der Schaufelspitze 15 und der Rückseite der Kollimatorlinse 13, d.h. der Spalt an der Schaufelspitze, und die Dicke der Kollimatorlinse 13 ist d. Dann betragen die Weglängen differenzen zwischen Strahl A und Strahl B oder C 2(D + d) bzw. 2D.
Falls die variable Verzögerungsleitung 7 so eingestellt ist, dass I_ref + 2(D + d) = I_delay, kann der Teil des Strahls A, der durch den Referenzarm verläuft, mit denjenigen Teilen des Strahls B interferieren, welche durch die Verzögerungsleitung 7 verlaufen. Die Frequenz des akustooptischen Modulators 5 (55 MHz) ist am Detektor 10 zu sehen, zusammen mit den Signalkomponenten von den anderen, nicht interferierenden Beiträgen anderer Strahlen und der Strömungs-Luminosität. In ähnlicher Weise ist eine Interferenz zwischen den Strahlen A und C zu beobachten, wenn I_ref + 2D = I_delay. Das System ist zu einer Selbstkalibrierung durch Prüfung der Verzögerung in der Lage, wenn die Strahlen B und C miteinander interferieren, d.h. wenn I_ref + 2d = I_delay, da die Dicke d und ein Brechungsindex der Kollimatorlinse 13 bekannt sind.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Es wird eine rotierende (60 Hz) Aluminiumscheibe mit Einkerbungen verschiedener Tiefen (0–4,8 mm) verwendet, um eine Turbinenstufe zu simulieren. Die verwendete Standardkollimatorlinse 13 ist für die Wellenlänge der Superlumineszenzdiode optimiert, und die Oberflächenreflexionen von der Linse sind unzureichend. Dies wird bei der maßgeschneiderten Saphiroptik, die zur Verwendung in der heißen Turbine bestimmt ist, nicht der Fall sein. Eine klare Kunststoffscheibe (CD-ROM, von der die reflektierende Schicht entfernt wurde, Dicke d = 1,2 mm) wird auf die Scheibe geklebt, um die zwei Linsenflächen zu simulieren. Die Messdauer wird künstlich auf 1 μs begrenzt, um typische Dauern der Vorbeibewegung von Schaufeln zu reproduzieren. Die ausgegebenen Intensität des Leistungsspektrums bei 55 MHz des Detektors 11 wird aufgezeichnet, während die Verzögerungsleitung ihren Bereich von 100 mm, welches die obere Grenze des Messbereiches ist, in Schritten von 30 μm abtastet. Die Abtastgeschwindigkeit muss so eingestellt werden, dass sich die Verzögerung pro Umdrehung der Scheibe um weniger als die Kohärenzlänge ändert. Bei der gegenwärtigen Einstellung des Zeitablaufs wird nur ein Schlitz gemessen, doch die Messung sämtlicher Schlitze (Schaufeln 14) gleichzeitig kann erreicht werden, indem die Signale für jede Schaufel 14 gruppiert werden, und ist somit nur eine Angelegenheit der Modifizierung der Datenverarbeitung.
4 zeigt die Intensität des Leistungsspektrums bei 55 MHz in Abhängigkeit von der Einstellung der Verzögerungsleitung für die rotierende Radform D = 4,8 mm. Die horizontale Skala ist bereits in die Tiefe k umgewandelt, d.h. der Faktor 2 im Weglängenabstand ist berücksichtigt, und die Geschwindigkeit des Lichts wurde bei der Umwandlung verwendet. Es sind mehrere Peaks nachzuweisen, die auf mehrere unterschiedliche interferierende Strahlenkombinationen hinweisen. Der erste Peak am Ursprung entspricht einer Interferenz aller Strahlen mit sich selbst, d.h. wenn beide Interferometerarme dieselbe Länge haben (I_ref = I_delay). Demzufolge ist dies der höchste Peak. Der zweite Peak bei 1,83 mm ≈ d' stellt die Interferenz zwischen dem Strahl B (Vorderfläche der Linse), der durch den verzögerten Interferometerarm verläuft, und dem Strahl C (hintere Fläche der Linse), der durch den Referenzarm verläuft, dar. Das Symbol d' bezeichnet die Dicke der simulierten Linse, multipliziert mit ihrem Brechungsindex.
Der mit "I_ref/C_delay" bezeichnete Peak stammt von der Interferenz zwischen dem Strahl A (Schaufelspitze 15), der durch den Referenzarm verläuft, und dem Strahl C (hintere Fläche der Linse), der durch den Messarm (Verzögerungsarm) verläuft. Der Abstand zwischen diesem Peak und dem ersten Peak ist der gemessene Spalt an der Schaufelspitze D. Der folgende Peak bei 6,64 mm D + d' kommt von der Interferenz zwischen wiederum dem Strahl A und dem Strahl B (Vorderfläche der Linse). Der Abstand der letztgenannten zwei Peaks ist erneut d' 1,84 mm. Dieselbe Weglängendifferenz resultiert aus der Kombination A*_ref/C_delay. In 4 sind drei weitere, schwächere Peaks bezeichnet, welche auf Mehrfachreflexion innerhalb der Linse zurückzuführen sind. Der Peak bei 3,67 mm ≈ 2d' stammt zum Beispiel von der Interferenz zwischen dem Strahl C, der durch den Messarm verläuft, und einem Strahl C, welcher einmal zwischen den zwei Linsenflächen zurück und vor reflektiert worden ist. Der Peak bei 8,47 mm ≈ D + 2d' ist durch den verzögerten Strahl B und einen Strahl A, welcher auf seinem Rückweg einmal innerhalb der Linse zurück und vor reflektiert worden ist, zu erklären. In der Tabelle 1 sind diese Ergebnisse zusammengefasst.

Nicht alle aufgelisteten Peaks wurden bei jeder Messung beobachtet, und nicht alle Permutationen zwischen d' und D für jeden Peak sind angegeben.

Lage des Peaks		Strahlwege
In Fig. 4 [mm]	Allgemein	Referenzarm	Messarm
0	0	A, B, C	A, B, C
1,83	D	C	B
2,98	D – d'	A	C*
3,67	2d'	C	B
4,79	D	A	C
6,64	D + d'	A	B
6,64	D + d'	A*	C
--	4d'	C***	B

Tab. 1

Die Signale von Mehrfachreflexionen innerhalb der Versuchsanordnung oder in der Turbine sind um 15 dB schwächer als die Hauptpeaks. Der optisch gemessene Wert für die Einkerbungstiefe von 4,79 liegt sehr nahe bei dem Nennwert von 4,80 mm. Die gemessene Dicke der Linse muss um ihren Brechungsindex korrigiert werden (hier: 1,55 gemäß dem Standard ECMA-130 für CD-ROMs).
Die gemessene Dicke beträgt daher d = d'/1,55 = 1,19 mm, was ebenfalls sehr nahe bei dem auf herkömmliche Weise gemessenen Wert von 1,20 mm liegt.
Der statistische Fehler wird als gleich der Hälfte der Kohärenzlänge geschätzt. Systematische Fehler sind auf Fehler bei dem angenommenen Brechungsindex der Linse, auf leichte Schwankungen der Geschwindigkeit des Lichts infolge von sich ändernden Dichten und Temperaturen in der Strömung durch den Spalt an der Schaufelspitze D sowie auf Positionierungsfehler der variablen Verzögerungsleitung zurückzuführen. Es wird geschätzt, dass die Summe dieser Effekte kleiner als 100 μm ist. Der Spalt an der Schaufelspitze D wird mehrere Male in jede Abtastung codiert (siehe 4), was verwendet werden kann, um die Unsicherheit zu verringern. Probleme können auftreten, wenn d und D ganzzahlige Vielfache voneinander sind. Dann würden mehrere Peaks zusammenfallen, was die Messwerte für d und D ununterscheidbar machen würde. Die Genauigkeit ist von dem Abstand zwischen Messfühler und Objekt unabhängig. Es ist jedoch anzumerken, dass die Menge des zurück in die Faser reflektierten Lichtes mit dem Quadrat des Abstands abnimmt, und dass folglich das Signal-Rausch-Verhältnis mit zunehmendem Abstand abnimmt.
Die Rauschunterdrückung ist ausgezeichnet, und das Signal-Rausch-Verhältnis ist > 30 dB. Die Modulationstiefe des Rohsignals im Falle von Interferenz liegt in der Größenordnung von 10%. Diese Werte verschlechtern sich, wenn Strömungs-Luminosität vorliegt, doch die Verwendung eines optischen Bandpassfilters, welches bisher nicht integriert war, kann einen großen Teil des unerwünschten Lichtes unterdrücken und eine Sättigung des Detektors vermeiden. Es muss ein Kompromiss zwischen der Genauigkeit und der Geschwindigkeit des Verfahrens gefunden werden. Die Genauigkeit wird zu einem hohen Grade durch die Kohärenzlänge der Lichtquelle bestimmt. Je geringer die Kohärenzlänge ist, desto höher ist die Genauigkeit, doch desto geringer ist auch die maximale Abtastgeschwindigkeit der Verzögerungsleitung.
Eine Anordnung ohne den Zirkulator 3 ist möglich, jedoch würde dies zwei separate Fasern für das zu der Turbine gehende und das von der Turbine kommende Licht erfordern. Die Summe der zwei Faserlängen muss dann durch eine feste Verzögerung im Messarm kompensiert werden.
Die Frequenzverschiebung des akustooptischen Modulators 5 wurde ausreichend groß gewählt, so dass eine genügend große Anzahl von Schwingungen in die Schaufeldurchlaufzeit von 1 μs fällt, jedoch ausreichend niedrig, so dass kein spezieller Fotodetektor mit hoher Bandbreite benötigt wird. Um sämtliche Schaufeln 14 gleichzeitig zu messen, wird wie folgt vorgegangen: Ein Codierer auf der Turbinenwelle liefert eine Referenzzeit. Bei bekannter Position und Anzahl der Schaufeln 14 in den Stufen können Zeitfenster (ein Mehrfaches der eigentlichen Durchlaufzeit) für ihre Vorbeibewegung am Ort des Messfühlers definiert werden. Daten werden während dieser Fenster angefordert, und die Intensität des Leistungsspektrums bei 55 MHz wird aufgezeichnet, zusammen mit der aktuellen Schaufelnummer. Die Verzögerungsleitung wird nach jeder Wellenumdrehung bewegt, bis der gewünschte Messbereich abgedeckt ist. Dies liefert Abtastungen, wie in 4 dargestellt, für jede Schaufel 14, welche analysiert werden können.
Die Messung des Spalts an der Schaufelspitze D mit dem vorgestellten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine hohe Genauigkeit auf (Fehler kleiner als 100 μm), welche unabhängig vom Abstand zwischen der Kollimatorlinse 3 und der Schaufelspitze 15 ist. Es ist ein großer Messbereich von bis zu 50 mm, d.h. der Hälfte des Bereichs der optischen Verzögerungsleitung, möglich. Für typische Szenarien, bei denen der Spalt an der Schaufelspitze D innerhalb eines Bereiches von wenigen Millimetern liegt, kann das Verfahren einmal pro Sekunde Daten für jede Schaufel 14 liefern. Dies ermöglicht die Überwachung von Übergangseffekten während des Hochfahrens und Herunterfahrens der Turbine. Änderungen im Fluid oder Materialeffekte haben keinen Einfluss, außer durch minimale Änderungen der Lichtgeschwindigkeit. Gleichzeitig mit dem Spalt an der Schaufelspitze D werden die Schaufeldurchlaufzeiten gemessen, was das Erkennen von Schaufelschwingungen ermöglicht (Schaufelspitzen-Zeitablauf [Tip Timing]).
Aufgrund des binären Charakters (Signal 55 MHz vorhanden/nicht vorhanden) ist zu erwarten, dass das Verfahren sehr robust ist, bei Einwirkung der rauen Umgebung im Inneren einer heißen Turbine. Nur eine einzige Faser von beliebiger Länge muss in das Turbinengehäuse eingeführt werden. Die restlichen optischen und elektronischen Bauteile können in einem beliebigen Abstand von der Turbine angeordnet werden, wodurch sie von Wärme, Geräusch und Schwingungen getrennt werden.
Obwohl die Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass von einem Fachmann auch andere Formen gewählt werden könnten. Dementsprechend wird der Schutzbereich unserer Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt.

1: Lichtquelle
2: Optischer Isolator
3: Zirkulator
4: Strahlteiler
5: Akustooptischer Modulator
6: Variabler Dämpfer
7: Variable Verzögerungsleitung
8: Strahlkombinierer
9: Optisches Filter
10: Detektor
11: Computer
12: Licht
13: Kollimatorlinse
14: Turbinenschaufel
15: Schaufelspitze der Turbinenschaufel 14
16: Deckband
A, B, C, A*, C*: Lichtstrahlen
d: Dicke der Kollimatorlinse 13
d: Optische Dicke der Kollimatorlinse 13
D: Spalt an der Schaufelspitze
k: Tiefe
t: Verzögerung
ῳ: Drehzahl der Turbinenschaufel 14

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Spalts (D) zwischen einem Turbinendeckband (16) und einer Spitze (15) einer sich bewegenden Turbinenschaufel (14), welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Aussenden eines Lichts mit geringer Kohärenz (12) von einer Lichtquelle (1), (b) Lenken des Lichts mit geringer Kohärenz durch eine Kollimatorlinse (13) hindurch zu der Schaufelspitze (15), wobei die Kollimatorlinse (13) an Turbinendeckband (16) angeordnet ist, (c) Lenken von Licht, das von der Kollimatorlinse (13) und von der Schaufelspitze (15) reflektiert wird, zu einem Strahlteiler (4), welcher den von der Kollimatorlinse (13) und von der Schaufelspitze (15) reflektierten Lichtstrahl in einen Referenzstrahl innerhalb eines Referenzarmes und einen Verzögerungsstrahl innerhalb eines Messarmes teilt, (d) Verschieben der Frequenz des Referenzstrahls mittels eines akustooptischen Modulators (5) zu einer vorgegebenen Frequenz, (e) Abtasten der Zeitverzögerung (Δt) des Verzögerungsstrahls mittels einer variablen Verzögerungsleitung (7), (f) Kombinieren des Referenzstrahls und des Verzögerungsstrahls mittels eines Strahlkombinierers (8), (g) Nachweisen des Leistungsspektrums aufgrund der Interferenz des Lichts, das von der Kollimatorlinse (13) und von der sich bewegenden Schaufelspitze (15) reflektiert wird, bei der durch den akustooptischen Modulator bestimmten Frequenz, (h) Berechnen des Spalts (D) zwischen dem Turbinendeckband (16) und der sich bewegenden Turbinenschaufelspitze (15) aus dem erhaltenen Leistungsspektrum.
Verfahren nach Anspruch 1, welches den Schritt des Einstellens des Verhältnisses der Intensität des Referenzstrahls zur Intensität des Verzögerungsstrahls mittels eines variablen Dämpfers (6), der in dem Referenzstrahl angeordnet ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches den Schritt des Leitens des Lichts mit geringer Kohärenz durch einen faseroptischen Isolator (2), bevor es zu der Kollimatorlinse (13) geleitet wird, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches den Schritt des Filterns des aus dem Strahlkombinierer (8) austretenden Strahls vor dem Nachweisen des Leistungsspektrums umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Licht mit geringer Kohärenz (12) zu und von der Kollimatorlinse (13) und der Turbinenschaufelspitze (15) mittels eines Zirkulators (3) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Licht mit geringer Kohärenz (12) zu der Turbinenschaufelspitze (15) und von der Turbinenschaufelspitze (15) mittels zweier separater Fasern geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Spalt (D) zwischen dem Turbinendeckband (16) und der Turbinenschaufelspitze (15) während des Betriebs der Turbine bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Spalt (D) zwischen dem Turbinendeckband (16) und der Turbinenschaufelspitze (15) während des Hochfahrens oder Herunterfahrens der Turbine bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Spalt (D) zwischen dem Turbinendeckband (16) und mehreren Turbinenschaufelspitzen (15) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Zeitpunkt jeder Vorbeibewegung einer Turbinenschaufel (14) bestimmt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung des Spalts (D) zwischen einem Turbinendeckband (16) und einer Spitze (15) einer sich bewegenden Turbinenschaufel (14), welche aufweist: (a) eine Quelle (1) von Licht mit geringer Kohärenz, (b) eine Kollimatorlinse (13), die an dem Turbinendeckband (16) angeordnet ist, (c) einen Strahlteiler (4) zum Teilen des von der Kollimatorlinse (13) und von der Schaufelspitze (15) reflektierten Lichtstrahls in einen Referenzstrahl innerhalb eines Referenzarmes und einen Verzögerungsstrahl innerhalb eines Messarmes, (d) einen akustooptischen Modulator (5), der innerhalb des Referenzarmes in dem Referenzstrahl angeordnet ist, der aus dem Strahlteiler (4) austritt, zum Verschieben der Frequenz des Referenzstrahls zu einer vorgegebenen Frequenz, (e) eine variable Verzögerungsleitung (7), die innerhalb des Messarmes in dem Verzögerungsstrahl angeordnet ist, der aus dem Strahlteiler (4) austritt, zum Abtasten der Zeitverzögerung des Verzögerungsstrahls, (f) einen Strahlkombinierer (8) zum Kombinieren des Referenzstrahls und des Verzögerungsstrahls, (g) einen Detektor (10) zum Nachweisen des aus dem Strahlkombinierer (8) austretenden Lichtstrahls und zum Nachweisen des Leistungsspektrums aufgrund der Interferenz des Lichts, das von der Kollimatorlinse und von der sich bewegenden Schaufelspitze reflektiert wird, bei der durch den akustooptischen Modulator bestimmten Frequenz, (h) eine mit dem Detektor (10) verbundene Verarbeitungseinheit zum Berechnen des Spalts (D) zwischen dem Turbinendeckband (16) und der sich bewegenden Turbinenschaufelspitze (15).
Vorrichtung nach Anspruch 11, welche ferner einen Zirkulator (3) zwischen der Quelle (1) von Licht mit geringer Kohärenz und der Kollimatorlinse (13) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, welche ferner einen variablen Dämpfer (6) in dem Referenzstrahl aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, welche ferner einen faseroptischen Isolator (2) zwischen der Quelle (1) von Licht mit geringer Kohärenz und der Kollimatorlinse (13) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, welche ferner ein optisches Filter (9) zwischen dem Strahlkombinierer (8) und dem Detektor (10) aufweist.