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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren des optischen Messens der
Durchlassfläche
eines Leitschaufelkranzes für
eine Gasturbinenmaschine durch Bestrahlen oder Beleuchten der Leitschaufeln und
Ummantelungen, die einen ausgewählten Durchlass
begrenzen, und dann Messen der sich daraus ergebenden Schattenfläche, die
der Durchlassfläche
entspricht, und Wiederholen des Vorgangs für jeden Durchlass in einem
Leitschaufelkranz, um die gesamte Durchlassfläche des Leitschaufelkranzes
zu bestimmen.
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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Messen der Strömungsfläche am Punkt
der maximalen Verengung in einer Gasströmungspassage, insbesondere
zum Messen der Leitschaufel- oder Düsenfläche einer Gasturbinenmaschine.
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Statoren,
die auch als Leitschaufelkränze bekannt
sind, sind eine Anordnung von feststehenden Strömungsprofilen, die benutzt
werden, um die Richtung einer ringförmigen Luftströmung zu ändern, wenn
sie sich einer Anordnung von rotierenden Schaufeln z. B. auf dem
Rotor einer Turbine oder eines Kompressors nähert oder sich von dieser entfernt.
Um die minimale Strömungsfläche durch
einen Stator-Leitschaufelkranz zu ändern, werden Einstellungen
am Winkel der Hinterkante der Statorleitschaufeln vorgenommen. Die
minimale Strömungsfläche wird
durch den Abstand zwischen der Hinterkante einer Leitschaufel und
der Druckseite der nächsten
Leitschaufel bestimmt, sodass das Ändern des Winkels der Hinterkante
die minimale Strömungsfläche ändert. Die
minimale Strömungsfläche steuert
das Druckverhältnis
der Turbine und den Massenstrom der Maschine und darum die Betriebslinie
des Kompressors.
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In
einer neuen Maschine ist der Vorgang des Abstimmens des Stators
auf den Rotor relativ einfach, da die rotierenden Schaufeln genau
gleich sind. Wenn sich die Maschine jedoch abnutzt und überholt wird,
müssen
die Strömungsprofile
des Stators individuell eingestellt werden, um den Stator wieder
abzustimmen, um eine optimale Leistung der Maschine zu erreichen.
Diese Einstellungen können
einfach Biegen der Hinterkante eines Stator-Strömungsprofils, Zurückschneiden
der Hinterkante oder im Falle eines segmentierten Leitschaufelkranzes
das Ersetzen von Leitschaufelsegmenten umfassen. Jedoch müssen im
Allgemeinen hunderte von winzigen Biegungen oder Anpassungen um
den Statorkranz herum vorgenommen werden, die sich addieren, um
die Strömungsfläche des
Stators zu beeinflussen.
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Um
den Statorkranz auf die Gasturbinenmaschine abzustimmen, muss die
Strömungsfläche des Stators
bestimmt werden. Eine Änderung
der Strömungsfläche des
Stators ändert
die Betriebslinie des Kompressors, was auch Auswirkungen auf die
Geschwindigkeit des Gasgenerators, das Druckverhältnis des Kompressors, die
Temperatur, den Massenstrom bei konstanter Leistung und den Spielraum zum
Pumpen der Maschine in einem Übergangszustand
hat. Bei konstanter Leistung erhöht
ein Vergrößern der
Statorströmungsfläche der
Leistungsturbine, während
die Statorströmungsfläche der
Kompressorturbine konstant gehalten wird, die Geschwindigkeit des
Gasgenerators und den Massenfluss, verringert aber leicht das Druckverhältnis des
Kompressors. Daher ist das Anpassen der Leitschaufeln basierend
auf einer effektiven Strömungsfläche ein kritischer
Vorgang beim Überholen
der Maschine, um eine optimale Leistung der Maschine vorherzusagen und
optimale Effizienz und optimalen Energieverbrauch zu erreichen.
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Herkömmlicherweise
ist die Strömungsfläche eines
Statorkranzes durch Benutzen einer Strömungsrate bestimmt worden,
wie z. B. im
US Patent Nr. 6,148,
667 von Evangelista gezeigt. Die Strömungsanlage weist einen Windkanalaufbau
auf, der den Druckabfall einer Luftströmung misst, wenn Luft in einer
kontrollierten experimentellen Umgebung durch den Statorkranz strömt. Die
Strömungsanlage kann
zuvor so kalibriert sein, dass eine bekannte Strömungsfläche zu einem bekannten Druckabfall führt. Daher
kann das Messen des Druckabfalls über einen speziellen Statorkranz
benutzt werden, um die ungefähre
Strömungsfläche des
Statorkranzes zu berechnen.
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Strömungsanlagen
wie in
US 6,148,677 von Evangelista
beschrieben erfordern einen erheblichen Aufbau, und die Zeit, die
erforderlich ist, um die Strömungsanlage
zu betreiben, beträgt
ungefähr
45 bis 60 Minuten. Außerdem,
obwohl Strömungsanlagen zuverlässige Ergebnisse
liefern, wenn die Statorschaufeln relativ neu und regelmäßig sind,
erzeugen lokale Druckeffekte erheblicher Ungenauigkeiten, sobald
ein abgenutzter Stator benutzt wird, bei dem Anpassungen an der
Vorder- oder Hinterkante vorgenommen worden sind. In Fällen, in
denen der Statorkranz instand gesetzt worden ist, Abnutzung und
Rissen unterliegt oder übermäßig angepasst
worden ist, sind konventionelle Messungen der Gasströmungsfläche mit
Vergleichsmethoden unzuverlässig.
Ein Statorkranz ist eine extrem teure Komponente und daher sind
genaue, zuverlässige
Mittel zum Messen der Strömungsfläche erforderlich.
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Ein
anderes konventionelles Verfahren des Bestimmens der Strömungsfläche des
Statorkranzes beinhaltet mechanisches Messen der Abmessungen der
Durchlassfläche.
Das
US Patent Nr. 4,222,172 von
Mason beschreibt eine Vorrichtung zum Messen der Fläche einer
Leitschaufel, die eine Messuhr benutzt, die in einer speziellen
Halterung befestigt ist, um die Abmessung der Durchlassfläche zu messen. Koordinatenmessgeräte ("coordinate measuring
machines", CMM)
können
auch die Fläche
mechanisch abtasten und die eingeschlossene Fläche berechnen, welche die Durchlassfläche der
Leitschaufel repräsentiert.
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Mechanische
Messvorrichtungen können ungenau,
langsam und relativ teuer sein. Koordinatenmessgeräte benutzen
derzeit zwei Messmethoden, um die Durchlassfläche zu bestimmen. Eine Methode
misst die Weite der Durchlassöffnung
in drei Bereichen und misst die Höhe, um zu extrapolieren, um
die Durchlassfläche
zu erhalten. Die erste Methode ist ungenau, wenn die Hinterkante
zwischen den gemessenen Bereichen unregelmäßig ist. Die zweite Methode
tastet die Durchlassöffnung
mit einem Messfühler
ab, ohne den Kontakt zu verlieren. Der Messfühler tastet die Öffnung in
einem vorgegebenen axialen Abstand von der Auffädelungslinie ("stacking line") des Strömungsprofils,
der Referenzachse des Strömungsprofils,
ab. Die Berechnung des Wertes der Durchlassfläche erfolgt unter der Annahme, dass
die Sehnenlänge
konstant ist und dass keine Abweichung des Profils zwischen dem
abgetasteten Pfad und der wirklichen Hinterkante vorliegt. Jedoch sind
Abweichungen bei allen außer neuen
Teilen verbreitet, da Anpassungen der Leitschaufel, Instandsetzung
und normale Abnutzung eine Abweichung des Profils, eine Abweichung
der Sehnenlänge
oder beides verursachen. Der Abstand zwischen dem Abtastpfad des
Messfühlers
und der Hinterkante kann zwischen 0,050–0,100 Zoll liegen, wobei die
Abweichung des Profils bis zu 0,300–0,400 Zoll von der Hinterkante
betragen kann. Daher werden die Abweichungen von dem Abtastmessfühler nicht
vollständig übersehen,
obwohl zu einem gewissen Grad ein Fehler eingeführt wird. Eine andere Technik
ist in
JP62-182604 gezeigt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schnelles, kostengünstiges
und zuverlässiges
Verfahren des Berechnens der Durchlassfläche eines Leitschaufelkranzes
zur Verfügung
zu stellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, optische Messung der Durchlassfläche des
Leitschaufelringes zu benutzen, um Ungenauigkeiten von mechanischen
und Luftströmungsmessverfahren
nach dem Stand der Technik zu vermeiden.
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Weitere
Aufgaben der Erfindung werden aus der Durchsicht der folgenden Offenbarung,
Zeichnungen und Beschreibung der Erfindung offenkundig werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen
Messen der Durchlassfläche
in einem Leitschaufelkranz für
eine Gasturbinenmaschine nach den unabhängigen Ansprüchen 1 und
15 zur Verfügung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Strahlungsquelle Licht im sichtbaren, Ultraschall- oder
Infrarotspektrum, da diese in den meisten Umgebungen einfach und
sicher benutzt werden können.
Ein erheblicher Vorteil des optischen Messverfahrens ist, dass es
sehr schnell ist und nur 25 bis 30 Sekunden für eine sehr genaue Messung
erfordert, die Änderungen
der Hinterkanten der Statorschaufeln nachweist, einfach wiederholbar
und kostengünstig
ist und ein unnötiges
Kratzen von älteren Leitschaufelanordnungen
vermeidet, was normalerweise ungenaue Ergebnisse liefert, wenn Verfahren nach
dem Stand der Technik benutzt werden. Abweichungen des Profils der
Vorderkante beeinflus sen konventionelle Strömungsvergleichsverfahren, haben
aber keinen Einfluss auf die Maschine. Es ist ein Vorteil des vorliegenden
Verfahrens, welches nur die Hinterkante betrachtet, dass Abweichungen
des Profils der Vorderkante nicht zu Ungenauigkeiten bei der Messung
der Durchlassfläche
des Leitschaufelkranzes führen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Damit
die Erfindung leicht verstanden werden kann, wird in den beigefügten Zeichnungen
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beispielhaft gezeigt.
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1 ist
ein axiale Schnittansicht durch eine Turbofan-Maschine, um den üblichen
Einbauort von Statorleitschaufelkränzen neben Turbinenrotoren und
Kompressorrotoren zu zeigen.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Leitschaufelkranzes,
welche die Hinterkanten einer Anordnung von Statorleitschaufeln zeigt,
die von einer inneren und einer äußeren Ummantelung
begrenzt werden.
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3 ist
eine Aufriss-Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Teilschnittansicht
durch die Statorleitschaufel zeigt, die auf einer rotierbaren Halterung
mit einer Haupt- und einer Hilfslichtquelle befestigt ist, wobei
die Lichtquellen eine von einer beleuchteten Fläche umgebene Schattenfläche erzeugen,
um die Durchlassfläche sichtbar
darzustellen, was von einer optischen Kamera betrachtet wird.
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4 zeigt
eine Aufrissansicht entlang einer Ebene, die senkrecht zu der Ebene
aus 3 ist, und zeigt die Hauptlichtquellen und die
Kamera.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht, wie sie von der Kamera gesehen wird,
und zeigt die Schattenfläche,
die der Durchlassfläche
entspricht, umgeben von einer beleuchteten Fläche.
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6 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in 5 und zeigt
die Haupt- und Hilfslichtquelle ähnlich
denen aus 3, wobei das Gesichtsfeld der
Kamera, das als Rechteck gezeigt ist, ein Bild der Schattenfläche aufnimmt,
das die Durchlassfläche
zwischen den Statorleitschaufeln repräsentiert.
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Weiter
Einzelheiten und Vorteile werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung offenkundig werden.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine typische axiale Schnittansicht durch eine Turbofan-Maschine,
obwohl die Erfindung genauso auch auf Turbowellen- und Turbopropmaschinen
anwendbar ist. Einströmende
Luft strömt über rotierende
Gläserschaufeln 1 innerhalb des
Bläsergehäuses 2 und
wird in eine Bypass-Strömung,
die weiter durch den Bypasskanal 3 strömt, und den internen Maschinenkern
aufgeteilt. Der innere Bereich der Luftströmung strömt durch einen Niederdruck-Axialkompressor 4 und
einen Zentrifugalkompressor 5 in den Verbrennungsraum 6.
Kraftstoff wird eingespritzt und in dem Verbrennungsraum 6 entzündet und
heiße
Gase strömen über die
Turbinen 7, um durch den hinteren Abgasbereich der Maschine
ausgestoßen
zu werden.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Leitschaufelkranzes 8,
der herkömmlicherweise
stromaufwärts
der Turbinen 7 oder in einem Axialströmungskompressor 4 stromaufwärts der Kompressorturbinen
angeordnet ist.
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Der
Leitschaufelkranz 8 hat eine ringförmige Anordnung von Statorleitschaufeln 9,
die eine Mehrzahl von individuellen Durchlässen 10 zwischen jedem
Satz von benachbarten Leitschaufeln 9 bilden. Die detaillierten
Ansichten in den 5 und 6 zeigen
die individuellen Leitschaufeldurchlässe 10 als eine dunkle
Schattenfläche,
die von einer beleuchteten Fläche
umgeben ist, die durch die im Folgenden beschriebene Vorrichtung
erzeugt wird. Jeder individuelle Durchlass 10 (wie am besten
in 6 zu sehen ist) ist eine ebene Öffnung mit
einer Peripherie, die in radialer Richtung durch eine innere Leitschaufelummantelung 11 und
eine äußere Leitschaufelummantelung 12 begrenzt
wird. Der individuelle Leitschaufeldurchlass 10 hat eine
Peripherie, die in Umfangsrichtung durch die Hinterkante 13 der
vorderen Leitschaufel 9a und einer projizierten, koplaneren Linie 14 auf
der konvexen Oberfläche
der benachbarten, folgenden Leitschaufeln 9b begrenzt ist.
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Die
folgenden Schritte sind in den 3 und 4 gezeigt.
Der Leitschaufelkranz 8 wird auf einer Halterung 15,
vorzugsweise mit einem rotierbaren Weiterschalttisch 16,
angebracht, sodass der Kranz 8 schrittweise um die Achse 17 gedreht
werden kann, um schrittweise Bilder für jeden einzelnen Durch lass aufzunehmen
und dann die Daten zu sammeln und zu verarbeiten, um eine zusammengesetzte
Durchlassfläche
für den
gesamten Kranz 8 zu erhalten.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt, wird der Leitschaufelkranz 8 in
einer Aufnahmeposition auf der Halterung 15 angeordnet,
sodass die Peripherie eines ausgewählten individuellen Durchlasses 10 innerhalb
des optischen Messsichtfeldes der Kamera 18 liegt. Die 5 und 6 veranschaulichen
das optische Messsichtfeld als eine rechteckige Ebene 19.
Es ist zu verstehen, dass jede beliebige Form des Sichtfeldes benutzt
werden kann und mehrere Kameras 18 eingesetzt werden können. Die
Kameras 18 können
jeweils einen definierten Bereich der Durchlassfläche messen,
die dann aufsummiert werden, um eine Gesamtfläche zu erhalten, oder jede
Kamera kann den gesamten Durchlass messen und die Ergebnisse werden
gemittelt, um die Genauigkeit zu erhöhen.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt, sind zwei Hauptstrahlungsquellen 20 in
einer Durchlass-definierenden Position angeordnet, um einen in der
Ebene des ausgewählten
Durchlasses 10 beginnenden Schattenbereich auf den Leitschaufelring 8 zu
werfen (wie am besten in den 5 und 6 zu sehen
ist). Wie in den 5 und 6 gezeigt,
ist der Schattenbereich von einem Reflexionsbereich umgeben, wodurch
die Durchlassfläche
visuell abgegrenzt wird.
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Um
eine verbesserte Abgrenzung insbesondere der Hinterkante 13 bereit
zu stellen, wird eine Hilfsstrahlungsquelle 21 so angeordnet,
dass sie die Hinterkante der vorderen Leitschaufel 9a beleuchtet. Beleuchten
der Hinterkante der folgenden Leitschaufel mit einer Hilfsstrahlungsquelle
reduziert einen unerwünschten
Schatten auf der folgenden Leitschaufel. Um den Kontrast zwischen
dem Reflexions- und dem Schattenbereich zu optimieren, werden die Hauptstrahlungsquellen 20 durch
den Bediener ausgerichtet. Vorzugsweise sind die Hauptstrahlungsquelle 20 und
die Hilfsstrahlungsquelle 21 parallel ausgerichtet, um
die Genauigkeit zu erhöhen.
Parallel ausgerichtete Lichtquellen erzeugen wenig oder keine Streuung
von Lichtstrahlen an den Kanten eines beleuchteten Bereichs.
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Obwohl
die Strahlungsquellen 20 und 21 von jedem bekannten
Strahlungstyp sein können,
wird aus Gründen
der Sicherheit und der einfacheren Benutzung Strahlung innerhalb
des Lichtspektrums bevorzugt und kann aus sichtbarem Licht, Infrarotlicht oder
ultraviolettem Licht mit gleichem Vorteil ausgewählt werden. Weiterhin können die
Strahlungsquellen 20 und 21 ein Muster oder Strahlung
mit Bereichen niedriger Intensität,
denen Bereiche mit hoher Intensität gegenüber gestellt sind, bereitstellen,
um die Erkennung durch die Kamera 18 zu verbessern. Z.
B. kann ein Schachbrettmuster der Strahlung oder ein Strahlungsmuster
mit geraden Linien die Erkennung der kontrastierenden Schatten-
und Beleuchtungsbereiche unter bestimmten Umständen verbessern.
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Weiterhin
ist die Blickrichtung 22 der Kamera 18 in dem
in den 3, 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel
als senkrecht zu der Ebene des ausgewählten Durchlasses 10 gezeigt
(in den Darstellungen als Ebene des Sichtfeldes 19 dargestellt). Die
bevorzugte Blickrichtung 22 ist von leicht oberhalb einer
rechtwinkligen Orientierung, um die untere Grenze des Schattens
(entlang der Linie 14 von 6) genauer
zu definieren.
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Wenn
der Leitschaufelkranz 8 in der gezeigten Aufnahmeposition
in der Halterung 15 positioniert ist, wobei die Peripherie
des individuellen Durchlasses 10 innerhalb des optischen
Messsichtfeldes 19 ist, kann der Bediener fortfahren, ein
Bild eines Bereichs des Leitschaufelkranzes innerhalb des Sichtfeldes 19 mit
der Kamera 18 oder einem anderen Strahlungsdetektor, der
zu den Strahlungsquellen 20 und 21 passt, aufzunehmen,
wie in den 5 und 6 gezeigt.
Die Licht- oder Strahlungsquellen 20, 21 sollten
eine Fläche
haben, die breit genug ist, um eine ausreichende Fläche um die
Durchlassöffnung 10 herum
zu beleuchten, um einen guten Kontrast rund um die Durchlassöffnung 10 herum
sicherzustellen, und vorzugsweise ist jede Lichtquelle parallel ausgerichtet
oder nahezu parallel ausgerichtet.
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Wenn
Strahlung in der Form von Lichtquellen 20 und 21 benutzt
wird, kann das Bild durch Zählen der
Pixel analysiert werden, um Abmessungsdaten des dunklen Bereichs
des Bildes zu erhalten, der proportional zu der individuellen Durchlassfläche des ausgewählten Durchlasses 10 ist.
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Wenn
eine genau zusammengesetzte Durchlassfläche für den Leitschaufelkranz 8 benötigt wird,
kann das Verfahren fortschreiten, schrittweise Bilder von jedem
der individuellen Durchlässe
aufzunehmen und zu analysieren und dann die Abmessungsdaten für jedes
einzelne Bild zu verarbeiten, um eine zusammengesetzte Durchlassfläche für den gesamten
Leitschaufelkranz 8 zu erhalten.
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Jedoch
ist in einigen Fällen
ein geschätzter Wert
für die
ungefähre
Durchlassfläche
ausreichend. In diesem Fall kann das Verfahren beinhalten, schrittweise
ausgewählte
Bilder von einer ausgewählten Mehrzahl
individueller Durchlässe 10 aufzunehmen und
zu analysieren. Eine Schätzung
für die
ungefähre
Durchlassfläche
des gesamten Leitschaufelkranzes 8 kann durch Hochrechnen
der Abmessungsdaten der ausgewählten
Bilder über
den gesamten Leitschaufelring 8 erhalten werden.
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Ein
absoluter Wert für
die tatsächliche Durchlassfläche in der
Ebene des ausgewählten Durchlasses 10 (die
Ebene, die in den 5 und 6 als rechteckiges
Sichtfeld 19 gezeigt ist) kann durch Kalibrieren der Abmessungsdaten
erreicht werden, indem wenigstens ein Skalierungsfaktor auf die
erhaltenen Abmessungsdaten angewandt wird. Da die Kamera 8 in
einem Abstand von dem Leitschaufelkranz 8 angeordnet ist,
ist es normalerweise selbst dann, wenn das Sichtfeld senkrecht zu
der Blickrichtung 22 ist, notwendig, einen Skalierungsfaktor
vorzusehen, um die Durchlassfläche
des Leitschaufelringes 8 zu erhalten und wirklich zu messen. In
dem Fall jedoch, in dem die Blickrichtung 22 nicht senkrecht
zu der Ebene des Leitschaufeldurchlasses 10 ist (als rechteckige
Ebene 19 gezeigt), kann ein erster Skalierungsfaktor auf
die radiale Dimension der Daten und ein zweiter Skalierungsfaktor
auf die Umfangsdimension der erhaltenen Daten angewandt werden.
Die Bilddaten können
an einen Computer 23 übertragen
werden, um die Bilddaten zu analysieren und eine Durchlassfläche für jeden
individuellen Durchlass zu erhalten oder die zusammengesetzte Durchlassfläche für den gesamten
Leitschaufelkranz zu erlangen, wenn die Halterung 10 rotierend
fortschreitet.
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Eine
komplexere Kalibrierung oder Skalierung der Bildanalyse kann angewandt
werden, um eine Linsenverzerrung und Bildperspektive auszugleichen.
Das System wird am Anfang durch Abbilden eines bekannten Gitters
oder Lochmusters, das im selben Abstand und derselben Ausrichtung
wie die zu messende Durchlassfläche 10 angeordnet
ist, kalibriert.
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Eine
sekundäre
Kalibrierung beinhaltet das Benutzen von Master-Leitschaufelkränzen, die
für jedes
hergestellte Modell eine bekannte Leitschaufeldurchlassfläche haben.
Das zuvor beschriebene optische Messverfahren wird mit jeder Master-Leitschaufel
durchgeführt,
um das optische Messsystem zu kalibrieren und um eine Kalibrationskurve
festzulegen, mit der gemessene Werte verglichen werden, um die wirkliche
Leitschaufeldurchlassfläche
zu bestimmen.