DE69408938T2

DE69408938T2 - Vorrichtung zur dynamischen Messung des Abstandes zwischen einander gegenüberliegenden Rotor- und Statorflächen einer rotierenden Maschine

Info

Publication number: DE69408938T2
Application number: DE69408938T
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Fillion
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1993-11-17
Filing date: 1994-11-16
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2014-11-17
Also published as: JPH07198312A; EP0653606B1; US5497101A; FR2712690B1; JP2907737B2; EP0653606A1; DE69408938D1; FR2712690A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der durch ein kapazitives Verfahren die dynamische Messung des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Rotor- und Statorflächen einer rotierenden Maschine durchgetührt werden kann. Insbesondere gilt die Erfindung der dynamischen Messung des radialen Spiels, das zwischen dem Ende der Schaufeln eines Turbomaschinenrades und der Wand des dieses Rad umgebenden Gehäuses besteht.
Das zwischen den einander gegenüberliegenden Rotor- und Statorflächen einer rotierenden Maschine bestehende Spiel ist ein wichtiger Parameter, der beträchtlichen Einfluß auf das Verhalten der Maschine hat, um welche Art rotierender Maschine es sich auch immer handelt; dies gilt besonders lür das Spiel zwischen den Schaufelenden und dem Gehäuse bei Kompressoren und Turbinen. Da sich dieses Spiel mit den temperaturmäßigen und mechanischen Anderungen stark ändern kann, ist es für die Betreiber von höchster Wichtigkeit, die Entwicklung dieser Spiele über den gesamten Umfang der Grenzfläche zwischen Rotor und Stator bei einer wirklichen, in stabilem Zustand oder im Übergangsbetrieb befindlichen Maschine zu kennen. Zur Durchlührung der dynamischen Messung dieses Spiels ist es bekannt, Näherungstühler zu verwenden, deren Betrieb auf elektrischen, optischen oder Hochfrequenz-Phänomenen beruht.
Diese Erfindung betriffi eine Vorrichtung, mit der die Messung durch ein Verfahren durchgelührt werden kann, das auf elektrischen, und zwar auf kapazitiven Erscheinungen beruht und darin besteht, die Ladung eines Kondensators zu messen, der aus einer leitenden Fläche eines in dem Stator gegenüber dem Rotor befestigten Meßfühlers und aus einer leitenden Fläche des Rotors besteht, die bei der Drehbewegung des Rotors zum Stator in Gegenüberstellung zur ersteren gebracht werden kann.
Die Merkmale einer Vorrichtung zur Messung nach einem kapazitiven Verfahren hängen von der Art der Polarisation und der Art der Konditionierung des kapazitiven Meßfühlers ab.
Bei manchen bekannten Meßvorrichtungen wird ein kapazitiver Meßtühler verwendet, der mittels Wechselspannung polarisiert und entweder durch einen Oszillator oder durch einen Ladungsverstärker konditioniert wird. Bei diesen Vorrichtungen ist die Technik des kapazitiven Meßtühlers und des Verbindungskabels zwischen dem Meßtühler und der Meßkette im allgemeinen triaxial.
Bei anderen bekannten Meßvorrichtungen wird ein kapazitiver Meßlühler verwendet, der mittels Gleichspannung polarisiert und durch einen Spannungsverstärker konditioniert wird, die Technik des kapazitiven Meßlühlers und des Verbindungskabels zwischen dem Meßtühler und der Meßkette ist im allgemeinen koaxial.
Bei allen diesen bekannten Vorrichtungen weisen der Meßfühler und das Verbindungskabel Restkapazitäten auf, die die Kalibrierung der Meßkette beeinträchtigen; es muß daher jedesmal, wenn ein Meßfühler oder ein Verbindungskabel gewechselt wird, eine Kalibrierung erfolgen.
Ferner machen alle diese bekannten Vorrichtungen eine Eichung der Meßkette vor Ort erforderlich, so daß es dem Hersteller nicht möglich ist, eine Kalibrierung in Hinblick auf eine sich wiederholende Serienanwendung durchzuführen.
Schließlich und endlich wird bei allen diesen bekannten Vorrichtungen das Meßergebnis durch die Temperatur des Meßfühlers und des Verbindungskabels beeinflußt.
In dem europäischen Patent Nr. EP 0.172.766 ist ein Meßgerät für das Spiel zwischen einem Rotor und einem Stator beschrieben, bei dem ein kapazitiver Meßfühler verwendet wird, der mit einer Vorrichtung zur Messung des Lade- und Entladestroms des aus den beiden einander gegenüberliegenden Flächen bestehenden Kondensators verbunden ist. Der Meßfühler und das Verbindungskabel weisen eine triaxiale Technik auf, und die durchgetuhrten Messungen sind differentielle Messungen, um sich der durch das Meßgerät erzeugten Fehler zu entledigen. Der kapazitive Meßtuhler wird nicht mittels Gleichspannung polarisiert, sondern mit einer Spannung, die periodisch unterbrochen wird, um den Entladestrom des Kondensators zu messen, so daß eine Vorrichtung zur Steuerung und Verarbeitung des von dem ziemlich komplexen Fühler abgegebenen Signais erforderlich ist.
In dem französischen Patent Nr. EP 2.608.751 ist eine kapazitive Meßkette beschrieben, bei der der kapazitive Meßtuhler, der mit triaxialer Technik ausgetuhrt ist, mit einem Eingang eines Ladungsverstärkers verbunden ist. Um die Störkapazitäten zu reduzieren, wird der Ladungsverstärker von einer schwimmenden Gleichspannungsquelle ohne Erdung gespeist. Dazu ist die Verwendung eines Transformators, eines Gleichrichters und einer Filterzelle sowie zweier verschiedener Versorgungsquellen, darunter einer Wechselstromquelle zur Versorgung des Transformators, erforderlich. Ein Zweck der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur dynamischen Messung mit einem kapazitiven Verfahren zu schaffen, die nicht die Nachteile der bekannten Vorrichtungen aufweist, bei der das Eichen der Meßkette vor Ort nicht erforderlich ist, und mit der eine Serienanwendung zur aktiven Überprüfüng der Spiele möglich ist.
Eine weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Meßvorrichtung zu schaffen, mit der einerseits das durchschnittliche Spiel der Beschaufelung und andererseits das jeweilige Spiel der einzelnen Schaufeln gemessen werden kann.
Dazu wird bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ein kapazitiver Meßfühler verwendet, der mittels Gleichspannung polarisiert wird und durch einen Ladungsverstärker mit einer Hochpaßfilter-Struktur, vorzugsweise zweiter Ordnung, konditioniert wird. Die Technik des Meßfiihlers und des Verbindungskabels ist koaxial. Die Kalibrierung der Meßkette erfolgt auf theoretischem Wege, ohne auf eine Eichung zurückzugreifen.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Durchlührung der dynamischen Messung des Spiels zwischen den rotierenden Schaufelenden und einem Turbomaschinenstator, die mindestens einen kapazitiven Meßfühler, der in dem Stator in der Verlängerung der Schaufeln angebracht werden soll, und mindestens eine mit dem Meßfühler verbundene Meßkette aufweist, wobei der Meßfühler eine Elektrode aufweist, die mit den Enden der Schaufeln dergestalt zusammenwirken soll, daß bei jedem Durchlauf einer Schaufel unter der Elektrode des Meßfühlers ein Kondensator mit variabler Kapazität gebildet wird, wobei die Meßkette eine Vorrichtung zur Konditionierung des Meßfühlers und der Miffel zur Verarbeitung des von der Konditionierungsvorrichtung abgegebenen Signais aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Konditionierung ein Ladungsverstärker mit einer Hochpaßfilter-Struktur ist, daß der kapazitive Meßfühler und der Ladungsverstärker durch eine und dieselbe Gleichspannung polarisiert werden, wobei die Polarisierungs-Gleichspannung dergestalt bestimmt wird, daß der Durchschnittswert des Ausgangssignals der Konditionierungsvorrichtung gleich einem Soll-Spannungswert ist.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen eindeutig aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gegeben wird, wobei
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Beispiels eines kapazitiven Meßfühlers zeigt, der in einem Gehäuse eingebaut ist,
Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Konditionierungsvorrichtung mit einer Hochpaßfilter-Struktur erster Ordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 3 ein Beispiel einer Konditionierungsvorrichtung mit einer Hochpaßfilter-Struktur zweiter Ordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 4a ein Beispiel einer einzelnen Schaufel zeigt, die sich mit konstanter Geschwindigkeit vor einer Meßfühlerelektrode bewegt,
Fig. 4b das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen, dem Fall von Fig. 4a entsprechenden Konditionierungsvorrichtung zeigt,
Fig. 5 ein synoptisches Schema der Meßkette zeigt, mit der das jeweilige Spiel der einzelnen Schaufeln erfindungsgemäß gemessen werden kann,
Fig. 6 ein synoptisches Schema der Meßkette zeigt, mit der das durchschnittliche Spiel der Beschaufelung erfindungsgemäß gemessen werden kann, wenn die Geometrie der Beschaufelung vollkommen bekannt ist,
Fig. 7 ein synoptisches Schema der erfindungsgemäßen Meßkeffe für den Fall zeigt, in dem die Geometrie der Beschaufelung nicht bekannt ist.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen kapazitiven Meßfühlers, der in einem Gehäuse eingebaut ist.
Der kapazitive Meßfühler hat koaxiale Technik. Er weist eine in der Mitte liegende Elektrode 1 auf, die in einem Mantelkabel 2 mit dazwischen angeordneter Isolierung 3 sitzt. Das Kabel 2 ist in einer in der Wand des Gehäuses 4 ausgeführten Durchgangsöffnung dergestalt befestigt, daß die Elektrode 1 mit der den Schaufeln 5 gegenüberliegenden Oberfläche des Gehäuses fluchtet. Das Kabel 2 weist einen Mantel auf, der an das gleiche Potential angeschlossen ist wie das Gehäuse.
Die Elektrode des Gehäuses ist über eine koaxiale Verbindung 6 mit einer Meßkette verbunden, die es ermöglicht, die Werte des Spiels J zwischen dem Kopf der Schaufeln 7 und dem Gehäuse 4 zu bestimmen.
Die Köpfe der Schaufeln laufen vor der Elektrode des Meßfühlers in der durch den Pfeil 8 dargestellten Richtung vorbei. Jedes Schaufelende bildet mit der Elektrode des Meßfühlers einen Kondensator, dessen Kapazität eine Funktion des Abstandes zwischen diesem Schaufelende und der Elektrode ist. Um diese Kapazität zu messen, ist der kapazitive Meßfühler durch eine Gleichspannung polarisiert und durch einen Ladungsverstärker mit kontinuierlicher Polarisierung konditioniert.
Fig. 2 zeigt ein Schema eines Ausführungsbeispiels einer Konditionierungsvorrichtung mit einer Hochpaßfilter-Struktur erster Ordnung, die einer ersten Ausführungsform der Erfindung entspricht.
Die Elektrode 1 des kapazitiven Meßfühlers ist über die koaxiale Verbindung 6 mit einem Ladungsverstärker verbunden, der durch eine Gleichspannung VP polarisiert ist und eine Hochpaßfilter-Struktur aufweist.
Dieser Ladungsverstärker weist einen Funktionsverstärker 9 auf, der eine mit einer Gleichspannung VP versorgte positive Eingangsklemme, eine negative Eingangsklemme, die mit der Elektrode 1 des kapazitiven Meßfühlers verbunden ist und auf das gleiche Potential gebracht wird wie die positive Eingangsklemme (Grundprinzip der Funktionsverstarker), sowie eine Ausgangsklemme, die ein Ausgangssignal Vs abgibt, das Funktion der auf die Durchläufe der Schaufeln unter dem Meßfühler zurückzuführenden Kapazität ist, besitzt. Diese Kapazität ist variabel mit der Zeit: Sie beträgt praktisch Null, wenn die Schaufelköpfe von der Elektrode des Meßfühlers entfernt ist; sie beträgt das Maximum, wenn sich ein Schaufelkopf direkt unter der Elektrode des Meßfühlers befindet.
Ein Widerstand R und eine Kapazität C sind parallel zwischen der negativen Eingangsklemme und der Ausgangsklemme des Funktionsverstärkers geschaltet. Die Werte des Widerstandes und der Kapazität werden so gewählt, daß der Ladungsverstärker einen Hochpaßfilter mit einer Grenzfrequenz fc = 1/(2π RC) bildet, die kleiner ist als die Durchlauftrequenz der Schaufeln und größer als die Variationsfrequenz der Restkapazitäten des Meßfühlers und der koaxialen Verbindung.
Auf diese Weise wird nur die Kapazitätsvariation, die auf den Durchlauf der Schaufeln unter der Elektrode des Meßfühlers zurückzuführen ist, berücksichtigt, und das Ausgangssignal Vs des Ladungsverstärkers ist nur Funktion der Geometrie des von der Elektrode des Meßfühlers und dem Kopf einer Schaufel gebildeten Kondensators sowie des elektrischen es des Ladungsverstärkers und insbesondere der Integrationskapazität C.
In Fig. 2 hat der Ladungsverstärker eine Hochpaßfilter-Struktur erster Ordnung. Um besere Leistungen zu erzielen, wird vorzugsweise eine Konditionierungsvorrichtung mit einer Hochpaßfilter-Struktur zweiter Ordnung verwendet. Mit einer Hochpaßfilter-Struktur zweiter Ordnung kann insbesondere eine bessere Unterdrückung der möglicherweise auftretenden niederen Störfrequenzen erreicht werden, eine bessere Dynamik erzielt werden und eine ständige Überwachung des Isolierungswiderstandes des Meßfühlers durchgeführt werden.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Konditionierungsvorrichtung mit einer Hochpaßfilter- Struktur zweiter Ordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Diese Konditionierungsvorrichtung besteht aus einem Funktionsverstärker 9, der eine mit der Elektrode des kapazitiven Meßftihlers verbundene negative Eingangsklemme, eine positive Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme besitzt, aus einem Widerstand R6, der zwischen die positive Eingangsk[emme und eine Polarisierungsspannung VP geschaltet ist, sowie aus einem Widerstand R5, der zwischen die positive Eingangsidemme und geschaltet ist, wobei eine Kapazität C1 und ein Widerstand R1 parallel zwischen der negativen Eingangsk[emme und der Ausgangsklemme des Funktionsverstärkers geschaltet sind. Der Widerstand R1 besteht aus zwei Widerständen R2 und R3, die in einem Verbindungspunkt I in Reihe geschlossen sind. Ein Widerstand R4 ist zwischen dem Punkt I und einem Punkt J geschaltet, ein Widerstand R7 ist zwischen dem Punkt J und der Spannung VP geschaltet, eine Kapazität C2 ist zwischen dem Punkt 3 und der elektrischen Masse der Konditionierungsvorrichtung geschaltet. Die Werte der verschiedenen Widerstände werden so gewählt, daß unter der Annahme, daß der Isolationswiderstand des Meßfühlers unendlich ist, die Gleichstromkomponente des Ausgangssignals Vs gleich Null ist.
Unter diesen Bedingungen ist der Verstärkungsgrad der Konditionierungsvorrichtung
G=1/C1 . R5/R5+R6,
und die Ausgangsspannung der Konditionierungsvorrichtung ist Vs = G VP ΔC aube, wobei ΔC aube für die Kapazitätsänderung aufgrund der Durchläufe der Schaufeln unter der Elektrode des Meßflihlers steht.
Diese Kapazitätsänderung ist proportional zur Fläche s(x) des Kondensators, der von der Elektrode und dem sich zum Meßzeitpunkt gegenüber dem Meßfühler befindlichen Schaufelkopf gebildet wird, und umgekehrt proportional zu dem Spiel J, wobei x die Position der Schaufel zum Meßflihler darstellt. Im folgenden dieser Beschreibung wird die Fläche s(x) gemeinsame Fläche der Elektrode und des Schaufelkopfes genannt.
In den Figuren 4a und 4b wird ein Beispiel einer einzelnen Schaufel dargestellt, die sich mit konstanter Geschwindigeit vor einer Meßfühlerelektrode bewegt (Fig. 4a), bzw. das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen, dem Fall von Fig. 4a entsprechenden Konditionierungsvorrichtung gezeigt (Fig. 4b).
Die Elektrode des in Fig. 4a dargestellten Meßfühlers hat die Form einer Scheibe mit dem Radius r. Die Schaufel, die vor dieser Elektrode in der Richtung x vorbeiläufi, wird einem schmalen Plättchen mit paralleler Fläche, mit der Dicke e, die kleiner ist als der Durchmesser 2r der Elektrode, und mit dem Verschiebungswinkel γ angenähert.
Wenn sich der Schaufelkopf entfernt von der Elektrode des Meßfiihlers befindet, besteht keine gemeinsame Fläche der Elektrode und des Schaufelkopfes, und das Ausgangssignal der Konditionierungsvorrichtung ist gleich Null, da diese ein Hochpaßfilter ist, der die niederen Störfrequenzen, die kleiner sind als die Durchlauffrequenz der Schaufeln unter dem Meßfühler, unterdrückt.
Wenn sich der Schaufelkopf unter der Elektrode des Meßfühlers befindet, ändert sich das Ausgangssignal Vs(x) der Konditionierungsvorrichtung proportional zur gemeinsamen Fläche s(x) der Elektrode und des Schaufelkopfes. Das Ausgangssignal Vs(x) der Konditionierungsvorrichtung hat also die Form eines Impulses mit maximaler Amplitude ΔVs, der proportional zur Polarisierungsspannung VP und zur maximalen gemeinsamen Fläche Smax und umgekehrt proportional zu dem Spiel J zwischen der Elektrode und dem Schaufelkopf ist. Die Form der Welle des Signals Vs(x) ist identisch mit der Form der Welle von s(x).
Bei einem sich drehenden Schaufelrad, das identische und in regelmäßigen Abständen angeordnete Schaufeln aufweist, besteht das Ausgangssignal der Konditionierungsvorrichtung aus einer Folge von Impulsen, deren Impulsfolgefrequenz gleich der Durchlauffrequenz der Schaufeln unter der Elektrode des Meßfühlers ist. Aufgrund der Hochpaßfilter-Struktur der Konditionierungsvorrichtung ist der durchschnittliche Wert dieses Signals gleich Null. Wenn also die geometrischen Merkmale der Gesamtanordnung des Meßfühlers und der Schaufeln sowie die Fläche Smax genau bekannt sind, können die Anderungen des Ausgangssignals der Konditionierungsvorrichtung theoretisch vor der Messung bestimmt werden. Die Kalibrierung der Meßkette erfolgt daher auf theoretischem Wege, ohne daß es erforderlich wäre, eine Eichung durchzuführen.
Fig. 5 zeigt ein synoptisches Schema der Meßkette, mit der das jeweilige Spiel der einzelnen Schaufeln erfindungsgemäß gemessen werden kann.
Die Meßkeffe ist über ein koaxiales Kabel mit der Elektrode 1 eines kapazitiven Meßfühlers verbunden. Sie weist in Reihe geschaltet eine Konditionierungsvorrichtung 10, eine Amplitudenmeßvorrichtung 11 und eine Recheneinrichtung 12 zur Berechnung des jeweiligen Spiels 3 der einzelnen Schaufeln auf Die Meßvorrichtung 11 ist dazu vorgesehen, die jeweilige maximale Amplitude AVS max jedes am Ausgang der Konditionierungsvorrichtung 10 erhaltenen Impulses zu messen. Die Recheneinrichtung 12 zur Berechnung des jeweiligen Spiels 3 ist dazu vorgesehen, die folgende Operation durchzuführen:
J = (A VP/ΔVS max) Smax,
wobei A eine Konstante ist, die gleich G &epsi;o ist, wobei &epsi;o die dielektrische Konstante der im allgemeinen aus trockener Luft bestehenden Isolierung des Kondensators darstellt, der von dem Schaufelkopf und der Elektrode des Meßfühlers gebildet wird, wobei unterstellt wird, daß dieser Kondensator sich wie ein Flachkondensator verhält.
Die genaue Kenntnis von Smax bei jeder Schaufel wird erst erlangt, wenn die genaue Dicke jeder Schaufel bekannt ist.
Die genaue Messung der Amplitude jedes Impulses kann auf bekannte Weise beispielsweise von einem Synchronisierimpuls aus mit einer ersten Signalabtastung unmittelbar vor dem Beginn des Impulses und einer zweiten Signalabtastung, wenn dessen Wert sich dem Maximum des Impulses nähert, und durch darauffolgende Bestimmung der Differenz der beiden solchermaßen erhaltenen Werte erfolgen.
Fig. 6 zeigt ein synoptisches Schema der Meßkette, mit der das durchschnittliche Spiel der Beschaufelung ertindungsgemäß gemessen werden kann, wenn die Geometrie der Beschaufelung vollkommen bekannt ist und alle Schaufeln identisch sind.
Die Meßkette ist über ein koaxiales Kabel mit der Elektrode eines kapazitiven Meßfühlers verbunden. Sie besteht aus eine Integralschleife, die in Reihe geschaltet eine Konditionierungsvorrichtung 10, einen Spannungserstärker 13 mit dem Verstärkungsgrad K, einen Bandfilter 14, der als Funktion der Drehgeschwindigkeit des Turbomaschinenrotors dergestalt programnniert ist, daß das Filtermaß bei jeder Drehzahl N des Motors konstant ist, eine Vorrichtung 15 zur Ausgabe des Durchschnittswerts und eine Komparatoreinrichtung 16 zum Vergleichen des Signalwerts mit einem Spannungs-Sollwert aufweist, wobei das aus dem Vergleich hervorgehende Ergebnis zu einer Integrationsvorrichtung 17 mit einer unendlichen Gleichstromverstärkung übertragen wird, die einen Gleichspannungswert VP abgibt, der als Polarisierungsspannungswert zu der Konditionierungsvorrichtung 10 zurückübertragen wird.
Die Integralschleife ist also eine Amplitudenregeischleife für die Polarisierungsspannung der Konditionierungsvorrichtung. Diese Regelung wird dergestalt durchgeführt, daß bei bestehendem Gleichgewicht der Durchschnitt swert des Ausgangssignals der Konditionierungsvorrichtung nach dem Verstärken und Filtern gleich dem Spannungs-Sollwert V* ist.
Die Meßkette weist ferner eine Überwachungseinrichtung 18 bezüglich des Isolationswiderstandes des Meßfühlers auf, die mit einer Alarmvorrichtung 19 verbunden ist. Die Überwachungseinrichtung 18 empfangt am Eingang die Werte der Ausgangsspannung VS und der Polarisierungsspannung VP der Konditionierungsvorrichtung und führt den Vergleich zwischen diesen beiden Werten durch, um ggf eine Verschlechterung des Isolationswiderstandes des Meßfühlers zu erkennen. Wenn eine Verschlechterung erkannt wird, sendet die Überwachungseinrichtung 18 an die Alarmvorrichtung 19 ein Signal zur Alarmauslösung.
Bei genauer Kenntnis der geometrischen Merkmale der Gesamtanordnung des kapazitiven Meßfühlers und der Beschaufelung kann die durchschnittliche gemeinsame Fläche So der Elektrode und des Schaufelkopfs mit Genauigkeit bestimmt werden. Diese durchschnittliche Fläche wird mathematisch aus der Entwicklung von s(x) berechnet. Ist der Fall gegeben, daß die Schaufelköpfe als schmale Plättchen mit parallelen Flächen angesehen werden können und die Elektrode des kapazitiven Meßfühlers kreisförmig ist, lautet der Ausdruck für die durchschnittliche Fläche So folgendermaßen:
So = (π r² e)/(Xo sin γ),
wobei r der Radius der Elektrode des kapazitiven Meßfühlers ist, e die Dicke der Schaufel ist, Xo die Schaufelteilung und γ der Schaufeleinstellwinkel ist.
Die Kalibrierung der Meßkette erfolgt nun, indem ein Spannungs-Sollwert des folgenden Wertes gesetzt wird:
V* = B So* (gefiltert),
so daß bei bestehendem Gleichgewicht das folgende Verhältnis zutrifft:
VP A So* (gefiltert) K = B So* (gefiltert),
wobei B ein für einen speziellen Wert des Spiels und bei So* (gefiltert) = So (gefiltert) durch Berechnung gewonnener konstanter Koeffizient ist, und wobei das Filtermaß das gleiche ist wie das des Filters 14.
Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, ist der Wert der Polarisierungsspannung VP proportional zum durchschnittlichen Spiel der Beschaufelung, da das Filtermaß bei jeder beliebigen Drehgeschwindigkeit des Turbomaschinenrotors konstant ist. Der von der Integrationsvorrichtung 17 abgegebene Spannungswert VP wird an eine Recheneinrichtung 20 zur Berechnung des durchschnittlichen Spiels zwischen der Elektrode und den Schaufelenden übertragen.
Fig. 7 zeigt ein synoptisches Schema der erfindungsgemäßen Meßkette für den Fall, in dem die Geometrie der Beschaufelung nicht bekannt ist.
Die Beschaufelung kann nicht immer als eine Folge von Plättchen mit parallelen Flächen angesehen werden, und zwar insbesondere aufgrund der Form der Schaufeln am Schaufelkopt, der Nicht-Beherrschung der axialen Stellungen der Schaufeln und der Streuungen der Schaufeldicken. Daher sind die Entwicklungen der gemeinsamen Fläche s(x) je nach der augenblicklichen Stellung der Meßfühlerelektrode zu dem Kopf der Schaufeln unterschiedlich und entsprechen unterschiedlichen Kalibrierungen. In diesem Fall besteht die Erfindung darin, im Stator zwei identische kapazitive Meßfühler 21 und 22 mit unterschiedlichem Spiel J und J + ΔJ gegenüber den Enden der Schaufeln 23, 24 vorzusehen, wobei die Meßfühler in einer und derselben, zur Achse der rotierenden Maschine senkrechten Ebene angeordnet werden, so daß sie die gleiche Schaufelfiäche s(x) "ansehen".
Das Spiel J ist das zu messende Spiel, das Spiel ΔJ ist bekannt.
Die kapazitiven Meßfühler 21 und 22 sind mit zwei Meßketten 25 bzw. 26 verbunden, die identische elektrische Verstärkungsgrade aufweisen und in gleicher Weise kalibriert sind, indem ihnen durch eine und dieselbe Anzeige identische Spannungs- Sollwerte gesetzt werden. Dieser Spannungs-Sollwert V* wird mit einem Näherungswert S'o für die gemeinsame durchschnittliche Fläche der Elektrode eines der Meß fühler und des Schaufelkopfes, der aber von gleicher Größenordnung ist, gerechnet, wobei der Wert von S'o zwischen 0,1 So und 10 So liegt, wobei So die reale gemeinsame Fläche darstellt. Die Ausgangssignale VP1 bzw. VP2 der Meßketten werden an ein Ratiometer 27 übertragen, das am Ausgang einen Meßwert des durchschnittlichen Spiels J zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen des Gehäuses und der Schaufelköpfe abgibt.
Wenn k' der Spannungs-Verstärkungsgrad jeder Meßkette ist, gilt für die Ausgangssignale VP1 und VP2:
VP1 = k'J/S'o
VP2 = k'(J+ΔJ)/S'o
Um einen Meßwert des durchschnittlichen Spiels J zu erhalten, führt das Ratiometer die folgende Operation durch:
J = ΔJ VP1/VP1-VP2
Wenn der Wert des Spiels bestimmt ist, kann mit dem Ratiometer die durchschnittliche Schaufeffläche So berechnet werden, die die kapazitiven Meßfühler tatsächlich "sehen". Diese durchschnittliche Fläche kann dann an eventuell vorhandenen weiteren Meßketten, die nicht mit einem Ratiometer ausgestattet sind und in der gleichen Rotoretage verwendet werden, angezeigt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die genau beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere aus Gründen der Sicherheit kann die Elektrode des Meßfühlers in dem Gehäuse zurückgesetzt eingebaut sein. In diesem Fall ist es erforderlich, bei der Erstellung des Kalibrierungs-Sollwerts den Wert R der Zurücksetzung zu berücksichtigen, indem alle Ausdrücke J, die das von dem Meßfühler gemessene Spiel darstellen, durch den Ausdruck J + R ersetzt werden. Desgleichen kann auch die Geometrie der Elektrode anders als scheibenförmig sein.

Claims

1. Vorrichtung zur Durchlührung der dynamischen Messung des Spiels zwischen den rotierenden Schaufelenden und einem Turbomaschinenstator, die mindestens einen kapazitiven Meßfühler, der in dem Stator in der Verlängerung der Schaufeln angebracht werden soll, und mindestens eine mit dem Meßfühler verbundene Meßkette aufweist, wobei der Meßfühler eine Elektrode aufweist, die mit den Enden der Schaufeln dergestalt zusammenwirken soll, daß bei jedem Durchlauf einer Schaufel unter der Elektrode des Meßfühlers ein Kondensator mit variabler Kapazität gebildet wird, wobei die Meßkette eine Vorrichtung zur Konditionierung des Meßfühlers und der Mittel zur Verarbeitung des von der Konditionierungsvorrichtung abgegebenen Signals aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Konditionierung (10) ein Ladungsverstärker mit einer Hochpaßfilter-Struktur ist, daß der kapazitive Meßfühler und der Ladungsverstärker durch eine und dieselbe Gleichspannung polarisiert werden, wobei die Polarisierungs-Gleichspannung dergestalt bestimmt wird, daß der Durchschnittswert des Ausgangssignals der Konditionierungsvonichtung (10) gleich einem Soll-Spannungswert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkette über eine koaxiale Verbindung (6) mit der Elektrode (1) des kapazitiven Meßfühlers verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konditionierungsvorrichtung (10) aus einem Funktionsverstärker (9), der eine positive Eingangsklemme, eine negative Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme besitzt, aus mindestens einem Widerstand und einer Kapazität, die parallel zwischen der negativen Eingangsklemme und der Ausgangsklemme geschaltet sind, besteht, wobei die positive Eingangsklemme mit einer Polarisierungs-Gleichspannung verbunden ist, die negative Eingangsklemme mit der Elektrode (1) des kapazitiven Meßfühlers verbunden ist und auf das gleiche Potential gebracht wird wie die positive Eingangsklemme.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konditionierungsvorrichtung (10) einen Hochpaßfilter zweiter Ordnung darstellt, der dazu gedacht ist, ein Ausgangssignal abzugeben, das proportional zu der Polarisierungsspannung und zu der Kapazitätsänderung aufgrund des Durchlaufs der Schaufeln unter der Elektrode des Meßfühlers ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkette in Reihe geschaltet die Konditionierungsvorrichtung (10), eine Amplitudenmeßvorrichtung (11) und eine Recheneinrichtung (12) zur Berechnung des jeweiligen Spiels der einzelnen Schaufeln aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkette eine Integralschleife zur Regelung der Polarisierungsspannung der Konditionierungsvorrichtung (10), wobei die Regelschleife in Reihe geschaltet die Konditionierungsvorrichtung (10), einen Spannungsverstärker (13), einen Bandfilter (14), eine Vorrichtung (15) zur Ausgabe des Durchschnittswerts, eine Komparatoreinrichtung (16) zum Vergleichen des Signalwerts mit einem Spannungs-Sollwert, einer Integrationsvorrichtung (17) mit einer unendlichen Gleichstromverstärkung, die eine Gleichspannung abgeben soll, die proportional zu dem durchschnittlichen Spiel zwischen der Elektrode des Meßfühlers und den Schaufelenden ist, aufweist, wobei als Polarisierungsspannungswert zu der Konditionierungsvorrichtung (10) zurückubertragen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkette ferner eine Überwachungseinrichtung (18) bezüglich des Isolationswiderstandes des Meßflihlers aufweist, die mit einer Alarmvorrichtung (19) verbunden ist.

8. Bandfilter (14) als Funktion der Drehgeschwindigkeit des Rotors dergestalt programmiert wird, daß das Filtermaß bei jeder Drehzahl N des Motors konstant ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Sollwert mathematisch aus der Kenntnis der geometrischen Merkmale der Gesamtanordnung des kapazitiven Meßfühlers und den Schaufeln bestimmt werden kann, wobei dieser Wert proportional zu der gemeinsamen, gefilterten, durchschnittlichen Fläche zwischen der Elektrode des Meßflihlers und den Schaufelenden ist, wobei der Wert des Proportionalitätskoeffizienten bestimmt wird, indem ein spezieller Wert flir das Spiel festgesetzt wird, und wobei das Filtermaß der durchschnittlichen Fläche das gleiche ist wie das des Bandfilters (14), der in der Regelschleife angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Integrationsvorrichtung (17) abgegebene Spannungswert zu einer Recheneinrichtung (20) zur Berechnung des durchschnittlichen Spiels zwischen der Elektrode des Meßffihlers und den Schaufelenden übertragen wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei kapazitive Meßfühler (21, 22) aufweist, die dazu gedacht sind, in dem Stator einer Turbomaschine in der Verlängerung der Schaufeln mit unterschiedlichem Spiel zu den Schaufelenden, wobei der Unterschied zwischen den Spielen bekannt ist, sowie in einer und derselben, zur Achse der Turbomaschine senkrechten Ebene angebracht zu werden, wobei diese beiden Meßfiihler mit zwei Meßkeffen (25 bzw. 26) verbunden sind, die identische elektrische Verstärkungsgrade aufweisen und in gleicher Weise kalibriert sind, indem ihnen durch eine und dieselbe Anzeige identische Spannungs-Sollwerte gesetzt werden, und daß sie ferner ein Ratiometer (27) aufweist, das an den Ausgang der beiden Meßkeffen (25 bzw. 26) angeschlossen ist und dazu gedacht ist, den Vergleich zwischen den von den beiden Meßketten abgegebenen Signalen durchzuführen und am Ausgang einen Wert für das durchscbniffliche Spiel zwischen der Elektrode des Meßfühlers und den Schaufelenden abzugeben.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Sollwert, der für die beiden Meßketten gesetzt wird, mathematisch bestimmt wird, indem ein Näherungswert für die gemeinsame durchschnittliche Fläche der Elektrode eines der Meßfühler und der Schaufelenden festgesetzt wird.