DE69309046T2

DE69309046T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ueberwachung einer Spalte

Info

Publication number: DE69309046T2
Application number: DE69309046T
Authority: DE
Inventors: Michael Paul Jenkins; Michael Sweeney
Original assignee: Rolls Royce Power Engineering PLC
Current assignee: Rolls Royce Power Engineering PLC
Priority date: 1992-02-29
Filing date: 1993-02-03
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: GB9204413D0; CA2129972C; DE69309046D1; US5572039A; JP3457665B2; WO1993017296A1; CA2129972A1; JPH07508584A; EP0628153B1; EP0628153A1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Beobachtung der Größe eines Axialspaltes zwischen relativ zueinander rotierenden Teilen, beispielsweise in einer Strömungsmaschine.
Insbesondere ist die Erfindung zweckmäßig, wenn sie benutzt wird, um den Laufspalt beispielsweise zwischen den festen Statorschaufeln und den rotierenden Turbinenschaufeln zu beobachten, oder den Spalt zwischen den Rippen der Schaufelringe und dem sie umschließenden Gehäuse.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Beobachtung eines Spaltes zwischen relativ zueinander rotierenden Teilen die folgenden Schritte: Es werden erste und zweite Strahlungsübertragungskörper mit einem festen Bauteil einer Turbine verbunden; der erste und der zweite Körper werden im Abstand zueinander derart angeordnet, daß die Körper nach einer gegenüberliegenden Fläche eines rotierenden Teils der Turbine vorstehen; erster und zweiter Körper werden so angeordnet und relativ zueinander so ausgerichtet, daß ein Lichtstrahl von dem ersten Übertragungskörper nach dem zweiten Übertragungskörper stattfinden kann; es wird ein Vorsprung auf der gegenüberliegenden Seite derart vorgesehen, daß ein Durchtritt des Strahls zwischen dem ersten und dem zweiten Körper während der Drehung des drehbaren Teils gewährleistet ist; es wird das Ausmaß gemessen, um das der Strahl, der zwischen dem ersten und dem zweiten Körper verläuft, durch den Vorsprung abgedeckt wird, wodurch eine Anzeige der Größe des Spaltes erhalten wird.
Die Erfindung sieht weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vor. Die in einer Turbine festgelegte Vorrichtung umfaßt erste und zweite Strahlungsübertragungskörper, die im Abstand zueinander so an einem festen Teil der Turbine angeordnet sind, daß die Körper nach einer gegenüberliegenden Oberfläche eines drehbaren Teils der Turbine vorstehen, wobei erster und zweiter Körper so angeordnet und relativ zueinander ausgerichtet sind, daß ein Strahl von dem ersten Strahlungsübertragungskörper nach dem zweiten Strahlungsübertragungskörper gelangen kann. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorsprung auf der gegenüberliegenden Fläche vorgesehen ist, um einen Durchtritt des Strahls zwischen dem ersten und dem zweiten Körper während der Drehung des drehbaren Teils zu gewährleisten, und daß Mittel vorgesehen sind, um den Anteil zu messen, über den der zwischen dem ersten und dem zweiten Körper verlaufende Strahl abgedeckt wird, wenn der Vorsprung auf der gegenüberliegenden Fläche des drehbaren Teils der Turbine dazwischen hindurchtritt.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Reihe fester Stator- und Rotorschaufeln einer Turbine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Refraktionsvorrichtung für die Strahlung,
Fig. 3 bis 7a einschließlich verschiedene Strahlverdunklungsmerkmale, die es ermöglichen, Signale abzuziehen, wenn die Vorrichtung auf die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2 angewendet wird,
Fig. 8 eine abgewandelte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß Fig. 1 weist eine Turbine 2 ein Gehäuse 4 auf, das zwei Stufen von Statorschaufeln 6 und 6a an ihren äußeren Enden trägt.
Eine erste Stufe von Rotorschaufeln 8 liegt unmittelbar stromab der Statorstufe 6, und eine zweite Stufe von Rotorschaufeln 8a liegt unmittelbar stromab der Statorstufe 6a.
Beide Rotorstufen 8 und 8a werden von einer Trommel 10 getragen, die um eine Achse 12 umläuft.
An ihren radial äußeren Enden tragen die Rotorschaufeln 8a in bekannter Weise Schaufelringabschnitte 13. Jeder Schaufelringabschnitt 13 weist eine axial verlaufende Rippe 14a auf, die sich nach der gegenüberliegenden Stirnseite der Schaufelfüße 16a am äußeren Ende der Statorschaufeln 6a erstreckt. Die Rippen 14a bilden zusammen eine Ringdichtung gegen das massive Eindringen eines Strömungsmittels aus dem Turbinenkanal 18.
Es ist bekannt, Rippen der beschriebenen Art für den angegebenen Zweck zu benutzen. Derartige Anordnungen haben jedoch Nachteile. Beispielsweise können die Rippen ihre Dichtungswirkung verlieren, wenn sie übermäßig stark an der gegenüberliegenden Fläche der Statorschaufelfüße reiben. Nach dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind daher die Schaufeln 8 abgewandelt, wobei diese Abwandlung in Verbindung mit einer Vorrichtung 20 der noch zu beschreibenden Bauart eine Beobachtung von Änderungen im Spalt zwischen den Enden der Rippen 14 und der gegenüberliegenden Stirnfläche des Schaufelrings der Statorschaufeln 6 ermöglicht, und demgemäß wird eine Beobachtung des Spaltes zwischen den Rippen 14a und der gegenüberliegenden Stirnfläche des Stators 6a möglich, da die Schaufelstufen 8 und 8a über die Trommel 10 verbunden sind.
Jede der Rotorschaufeln 8 besitzt zwei in radialem Abstand zueinander angeordnete Rippen 14 an der stromaufwärtigen Stirnseite des Schaufelrings 16. Eine Vorrichtung 22 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein erstes Gehäuse 24, in dem zwei Faseroptiken 26, 27 eingepaßt sind, und ein zweites Gehäuse 28 auf, das zwei in radialem Abstand zueinander liegende langgestreckte Prismen 30 und 32 enthält. Diese Vorrichtung 22 ist innerhalb des Schaufelfußes 17 einer Statorschaufel 6 angeordnet. Dieses spezielle Ausführungsbeispiel wird im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
Gemäß Fig. 1 sind die Prismen 30 und 32 so angeordnet, daß ihre Längserstreckung parallel zur Drehachse 12 verläuft, und ihre freien Enden stehen über die stromabwärtige Stirnfläche des Statorfußes 17 derart vor, daß sie gerade noch die Spitze der radial ußeren Rippe 14 einschließen, wenn die Turbine steht.
Das innere abgeschrägte Ende des radial äußeren Prisma 30 ist auf die Faseroptik 27 ausgerichtet, und das radial innere Prisma 32 ist mit seinem abgeschrägten Ende auf die Faseroptik 26 ausgerichtet. Die vorstehenden abgeschrägten Enden der Prismen 30, 32 sind radial aufeinander ausgerichtet.
Eine Strahlungsquelle 34, beispielsweise eine Leuchtdiode, ist an die Faseroptik 27 angeschlossen. Die Strahlung erfolgt in Form von Licht.
Wenn die Turbine läuft, drücken die auf die Schaufeln 8 und 8a wirkenden Kräfte die Schaufeln in Richtung stromab, wie durch den Pfeil 36i angedeutet. Demgemäß vergrößert sich der Spalt zwischen den Spitzen der Rippen und Stirnflächen des Statorfußes, und es wird eine Einstellung erforderlich. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Axialkraft in Richtung stromauf auf die (nicht dargestellte) Welle ausgeübt wird, mit der die Trommel 10 verbunden ist. Bisher stellte die Berührung zwischen den Rippen und den Stirnflächen der Schaufelfüße die einzige Anzeige der Relativstellungen der Statorschaufeln gegenüber den Rippen dar. Infolgedessen ergab sich eine anfängliche Abnutzung infolge der Reibung.
Die vorliegende Erfindung vermeidet eine Reibung in der folgenden Weise: Beim Anlauf der Turbine wird ein Lichtstrahl von der Quelle 34 durch die Faseroptik 27 auf das abgeschrägte innere Ende des Prisma 30 geschickt, das das Licht bricht und über seine Länge leitet und dann weiter vom äußeren Ende in das äußere Ende des radial inneren Prisma 32 reflektiert. Das Licht wird dann weiter durch das Prisma 32 nach der Faseroptik 26 hin gebrochen, die wiederum das Licht einer Blackbox 36 zuführt.
In der Blackbox 36 ist ein (nicht dargestellter) Wandler angeordnet, der das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, das dann einer Abtasthalteschaltung, einer Teilerschaltung und einer Verhältnisschaltung innerhalb der Box 36 zugeführt wird. Die Schaltung selbst ist nicht erfinderisch und kann von jedem kompetenten Fachmann entwickelt werden.
Unmittelbar nach dem Anlauf wird die Turbine durch (nicht dargestellte) Mittel in Richtung stromauf gedrückt. Dadurch wird bewirkt, daß die radial äußere Ringrippe 14 des Schaufelrings 16 in den Lichtstrahl eintritt, der vom Prisma 30 nach dem Prisma 32 verläuft.
Der (nicht dargestellte) Wandler erfaßt die verminderte Belichtung und ändert seinen Ausgang nach der (nicht dargestellten) Schaltung. Infolgedessen werden weitere Signale erzeugt und einem Display 38 zugeführt, wo vorzugsweise in digitaler Form die Größe des Spaltes zwischen der Spitze der Rippen 14 und der gegenüberliegenden Stirnfläche der Statorfüße 17 angezeigt wird. Wenn sich die Turbine weiter im Sinne einer Verminderung des Spaltes bewegt, ändert die Schaltung in der Blackbox 36 ihren Ausgang nach dem Display 38 entsprechend. Demgemäß verbleibt während dieses Manövers die Größe des Spaltes bekannt, und wenn das Display anzeigt, daß eine vorbestimmte Spaltgröße erreicht ist, kann sich die Turbine weiter drehen.
Gemäß Fig. 2 sind die optischen Fasern, die mit einem Goldmantel versehen sind, in entsprechende Faserröhrchen 40, 42 eingeltet. Die Rhrchen 40, 42 sind ihrerseits mit Gleitsitz in entsprechende Linsenröhrchen 29, 31 eingeschoben, die ihrerseits in Bohrungen des Gehäuses 24 einpassen. Zwei aus Saphir bestehende Linsen 44, 46 sind in den Enden der Bohrungen festgelegt, und die Röhrchen 40, 42 werden darin bewegt, bis die hindurchtretenden Lichtstrahlen durch die Linsen 44, 46 gebündelt werden. Dann werden Stiftschrauben 48 in das Gehäuse 24 eingeschraubt, um die Röhrchen 40, 42 gegen weitere Bewegung zu sichern.
Das Gehäuse 28 wird dann mit Ausnehmungen versehen, um das Ende des Gehäuses 24 aufzunehmen, das die Linsen 44, 46 enthält, und das Gehäuse 28 ist weiter mit Ausnehmungen derart versehen, daß die Prismen 30, 32 aufgenommen werden können. Blattfedern 48, 50 und 52, 54 halten die Prismen 30, 32 elastisch in ihren jeweiligen Stellungen innerhalb des Gehäuses 28. Nachdem die Blattfedern und die Prismen in das Gehäuse 28 eingesetzt sind, wird eine Abdeckplatte 56 aufgesetzt und durch Schrauben 58 gehalten.
Fig. 3 zeigt die Abdunklung des gebrochenen Lichtstrahls durch die radial äußere Rippe 14 und die Brechung des nicht abgedunkelten Abschnitts 60 durch das Prisma 32.
Fig. 3a zeigt das Verhältnis der abgedunkelten Strahlfläche zu einem nicht abgedunkelten Strahl, wie es durch die Rippe 14 gemäß Fig. 3 zustande kommt.
Fig. 4 zeigt eine örtliche Auskerbung 62, die in der Rippe 14 ausgearbeitet ist. Wie deutlicher aus Fig. 4a ersichtlich, ist die Auskerbung 62 tief genug, damit jederzeit der volle Strahlquerschnitt über die Kerbe 62 während der Drehung der Turbine nach dem Prisma 32 gelangen kann. Auf diese Weise wird das Verhältnis von vollem Strahlquerschnitt zu abgedunkeltem Strahlquerschnitt erhalten, statt sich nur auf den Strahl verminderter Querschnittsfläche verlassen zu müssen.
Fig. 5 zeigt einen Schlitz 64 in der Rippe 14, und eine Maskierung 66 ist über das Prisma 30 gelegt, so daß zwei gebrochene Strahlen erzeugt werden. Der Strahlabstand ist derart, daß sie beide vollständig vom Schlitz 64 umfaßt werden, und zwar jeweils am Ende.
Diese Anordnung liefert eine deutliche Anzeige der Richtung der Axialbewegung der Turbine. Wenn die Turbine aus der Stellung gemäß Fig. 5a anläuft in bezug auf die Strahlen und sich nach der Stirnfläche der Statorfüße 17 bewegt, dann verdunkelt die Rippe nur den Strahl 68. Wenn die Turbine zurückgezogen wird, verdunkelt sie nur den anderen Strahl 70.
Die Anordnung schafft weiter die Möglichkeit, eine optimale Lage der Turbine festzulegen und die Bewegung der Turbine relativ zu dieser Lage in beiden Richtungen gegenüber der Stirnfläche der Statorfüße 17 zu beobachten.
Fig. 6 und 6a zeigen eine Einkerbung 72, die eine abgeschrägte Seite 74 besitzt. Bei dieser Anordnung beginnt die abgeschrägte Seite 74 den Strahl mit sich vergrößernder Geschwindigkeit abzudecken, wenn die Turbine sich nach den Statorschaufelfüßen 17 hin bewegt, und die Geschwindigkeit sinkt ab, wenn die Turbine hiervon zurückgezogen wird. Demgemäß stellt die Vorrichtung einen Abstandsmarkierungssensor dar, der auch eine Anzeige der Bewegungsrichtung liefert.
Die Fig. 7 und 7a veranschaulichen die Möglichkeit der Vorrichtung, Signale zu liefern, indem die Änderung in der Lichtwellenlänge festgestellt wird, wenn der Strahl mehr oder weniger abgedeckt wird.
Nunmehr wird wiederum auf Fig. 1 Bezug genommen. Die radial innere Rippe 14 ist so angeordnet, daß die Prismen 30, 32 gegenüber der Heißgasströmung durch die Turbine hindurch geschützt sind.
Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei wird die Vorrichtung 20 benutzt, um das Spiel zwischen den Spitzen der Rippen 76 und dem Schaufeiring 78 der Turbinenschaufeln 80 zu beobachten.
Die Vorrichtung 20 ist um 90 º gedreht und in dem Turbinengehäuse 82 angeordnet. Nur die Prismen 30 und 32 sind dargestellt, und diese umschließen die Rippe 76. Wenn sich die Schaufel unter der Zentrifugalkraft nach der Gehäusewand hin ausdehnt, wird der reflektierte Lichtstrahl abgedunkelt. Abgesehen von Lage und Orientierung, entspricht das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 exakt jenem gemäß Fig. 1 bis 7a, was Anordnung und Arbeitsweise anbetrifft.

Claims

1. Verfahren zur Beobachtung eines Spaltes zwischen relativ zueinander rotierenden Teilen einer Turbine,

dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Strahlübertragungskörper (30, 32) mit einem festen Bauteil (6; 82) einer Turbine (2) verbunden werden, daß der erste und zweite Körper (30, 32) im Abstand zueinander derart angeordnet werden, daß die Enden der Körper (30, 32) nach der gegenüberliegenden Fläche eines drehbaren Bauteils (8) der Turbine (2) vorstehen, daß der erste und der zweite Körper (30, 32) derart angeordnet und relativ zueinander ausgerichtet werden, daß ein Strahl (60) von dem ersten Strahlübertragungskörper (30) nach dem zweiten Strahlübertragungskörper (32) gerichtet wird, daß an der gegenüberliegenden Fläche ein Vorsprung (14) angebracht wird, um zu gewährleisten, daß der Strahl (60) zwischen dem ersten und zweiten Körper (30, 32) während der Drehung des drehbaren Teils (8) hindurchtreten kann, und daß das Ausmaß gemessen wird, um das der Strahl, der zwischen dem ersten und zweiten Körper (30, 32) hindurchläuft&sub1; durch den Vorsprung (14) abgedeckt wird, um so eine Anzeige der Größe des Spaltes zu liefern.

2. Verfahren zur Beobachtung eines Spaltes nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Auskerbung (62) in dem Vorsprung (14) angebracht wird, durch die die gesamte Querschnittsfläche des Strahls (60) hindurchtreten kann, so daß intermittierend ein Vergleich von abgedecktem und nicht abgedecktem Strahl ermöglicht wird.

3. Verfahren zur Beobachtung eines Spaltes nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Auskerbung (62) v-förmig gestaltet ist und so orientiert wird, daß eine Seite der Auskerbung parallel zur Drehachse der Turbine verläuft, so daß ein Markierungs-/Abstands-Sensor geschaffen wird.

4. Verfahren zur Beobachtung eines Spaltes nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlitz (64) im Vorsprung (14) angebracht und der erste Strahlungsübertragungskörper (30) so maskiert (66) wird, daß zwei Strahlen erzeugt werden, die über den ersten Körper übertragen werden, wobei der Abstand der beiden Strahlen derart ist, daß beide Strahlen durch den Schlitz (64) hindurchtreten können.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt gebildet ist zwischen einer Stufe von Statorschaufeln (6) der Turbine (2) und einer Reihe von Dichtungsrippen (14) an einer benachbarten Stufe der Laufschaufeln (8) der Turbine (2).

6. Verfahren zur Beobachtung eines Spaltes nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt durch ein Turbinengehäuse (82) und eine Reihe von Dichtungsrippen (76) auf einer benachbarten Stufe der Turbinenlaufschaufeln (80) der Turbine (2) gebildet ist.

7. Vorrichtung, die an einer Turbine (2) derart festlegbar ist, daß ein Spalt zwischen relativ zueinander rotierenden Teilen der Turbine gemessen werden kann, wobei die Vorrichtung einen ersten und einen zweiten Strahlungsübertragungskörper (30, 32) aufweist, die im Abstand zueinander mit einem festen Bauteil (6) der Turbine (2) derart verbunden sind, daß die Körper nach einer gegenüberliegenden Fläche eines drehbaren Teils (8) der Turbine (2) vorstehen, wobei der erste und der zweite Körper (30, 32) so angeordnet und relativ zueinander ausgerichtet sind, daß ein Strahl (60) von dem ersten Strahlungsübertragungskörper (30) nach dem zweiten Strahlungsübertragungskörper (32) gelangen kann,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorsprung (14) derart auf der gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist, daß der Durchtritt des Strahls (60) zwischen erstem und zweitem Körper (30, 32) während der Drehung des drehbaren Teils (8) gewährleistet wird, und daß Mittel (36, 38) vorgesehen sind, um das Ausmaß zu messen, um das der Strahl (60), der zwischen dem ersten und zweiten Körper (30, 32) verläuft, abgedunkelt wird, wenn der Vorsprung (14) auf der gegenüberliegenden Seite des drehbaren Bauteils (8) der Turbine zwischen den Körpern (30, 32) hindurchläuft

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Teil die Statorschaufel (6) einer Stufe von Statorschaufeln in der Turbine (2) ist und daß die Körper (30, 32) vom Schaufelfuß (17) einer Statorschaufel (6) getragen werden, wobei der Abstand der Körper (30, 32) in Radialrichtung bezüglich der Drehachse des drehbaren Teils (8) verläuft.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Teil ein Turbinengehäuse (82) ist und die Körper (30, 32) darin angeordnet sind, während der drehbare Teil (80) eine Turbinenlaufschaufelstufe der Turbine (2) ist, und wobei der Abstand zwischen den Körpern (30, 32) in Axialrichtung bezüglich der Drehachse der drehbaren Turbinenschaufeln (80) verläuft.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Körper (30, 32) von Prismen gebildet werden, die den Strahl (60) durch innere Reflexion übertragen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Prismen (30, 32), die nach der gegenüberliegenden Oberfläche eines drehbaren Teils der Turbine vorstehen, abgeschrägt und relativ zueinander derart ausgerichtet sind, daß ein Strahl (60) von dem ersten Prisma (30) nach dem zweiten Prisma (32) gerichtet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Messung des Ausmaßes, um das der Strahl (60) abgedunkelt wird, ein Signalerzeuger (36, 38) sind, der den nicht abgedunkelten Strahl in ein elektrisches Signal umwandelt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen, von dem Signalgenerator erzeugten Signale in visuelle Signale umgewandelt werden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle (34) und der Signalerzeuger (36, 38) in oder an dem festen Bauteil (6, 82) angeordnet sind.