EP2092280A2 - Vorrichtung und verfahren zur berührungslosen schaufelschwingungsmessung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur berührungslosen schaufelschwingungsmessung

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Publication number
EP2092280A2
EP2092280A2 EP07856094A EP07856094A EP2092280A2 EP 2092280 A2 EP2092280 A2 EP 2092280A2 EP 07856094 A EP07856094 A EP 07856094A EP 07856094 A EP07856094 A EP 07856094A EP 2092280 A2 EP2092280 A2 EP 2092280A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
sensors
vibration measurement
blade vibration
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07856094A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Zielinski
Gerhard Ziller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2092280A2 publication Critical patent/EP2092280A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • G01H1/006—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines of the rotor of turbo machines

Definitions

  • the invention relates to a device for contactless blade vibration measurement with sensors arranged around the circumference of a rotor formed with rotor blades, a signal detection unit and an evaluation unit, and a method for contactless blade vibration measurement.
  • BSSM contactless blade vibration measurement
  • These measurements are required because during operation on the blades, high static and alternating aerodynamic forces act, which excite the blades to vibrate.
  • it may be responsible for the pressure distribution in the gas flow due to the inlet geometry, changes in the gap between blade tips and housing caused by ovalization of the housing, or the stator grid.
  • These vibration sources are bound to the engine housing and therefore generate vibrations at multiples of the rotational speed of the rotor shaft, so-called resonant vibrations. Vibrations of a different kind are triggered by aerodynamic instabilities, including flapping vibrations and vibrations during compressor pumping.
  • blade vibration measurements are made in the development of such engines. Corresponding measurements in series engines are possible in principle as well.
  • the blade vibrations are measured by means of strain gauges and telemetry transmission, i. non-contact, monitored. However, this is associated with increased equipment costs and corresponding costs, which is why the non-contact measuring methods are preferable.
  • Non-contact blade vibration measurement systems are therefore used to monitor blade vibrations in compressors on the blade tips and to reliably predict the life of the blades, which methods can also measure, in part, the radial gap between the blade tips and the housing.
  • BSSM Non-contact blade vibration measurement systems
  • a known measuring system for contactless blade vibration measurement uses capacitive sensors in the engine housing for both vibration and radial gap measurement on the blades of axial compressors.
  • the sensors used can be used in the temperature range up to about 700 ° C, which allows use at all compressor stages.
  • the basic principle of the vibration measurement is a transit time measurement of the blade tips passing under the sensors. In this case, depending on the momentary deflection state, oscillating blades pass by the sensors sooner or later.
  • the gap information in this measurement method lies in the variation of the signal amplitude when a blade approaches a sensor and passes under it.
  • vibration frequencies, vibration amplitudes and radial gaps of all rotor blades of a rotor stage can be determined and analyzed.
  • the exact positions of the sensors on the circumference of the housing must be known, which can be done at rest by simply measuring the respective sensor position.
  • the effect of the described disturbances is especially critical in the case of resonant oscillations, because here the blades pass the sensors at a certain rotational speed with each revolution in the same deflection state, since here the oscillatory motion is bound in phase to the engine housing.
  • the measurement data obtained in this way of a complete resonance run are evaluated jointly by Resonanzkurvenfit.
  • Fit parameters are amplitude and frequency at the resonance point as well as other parameters.
  • the invention is therefore based on the object to avoid the above-mentioned technical problems of the prior art and to provide an improved apparatus and an improved method for non-contact blade vibration measurement.
  • it is an object of the present invention to eliminate the effect of rotor radial movements and housing deformations, the so-called ovalization, on the measured data in order to ensure a high amplitude resolution in the vibration analysis under all conditions.
  • the invention avoids the technical problems of the prior art and provides an improved apparatus and method for non-contact blade vibration measurement.
  • the solution according to the invention eliminates the effect of rotor radial movements and housing deformations, ie of ovalization, on the measured data, thereby ensuring a high amplitude resolution in the vibration analysis under all conditions.
  • the device according to the invention for contactless blade vibration measurement with preferably circumferential sensors arranged around the circumference of a rotor provided with blades, a signal detection unit and an evaluation unit is characterized in that the device has means for determining the rotor position and / or the housing deformation, ie the ovalization.
  • the devices for determining the rotor position and / or the housing deformation can advantageously be designed both as hardware or as software components. It is particularly advantageous if the property of the contactless blade vibration measurement sensors for gap measurement is utilized and the corresponding measurement results are used to determine the rotor position and / or the housing deformation. This represents a simple and inexpensive solution. Alternatively, additional position sensors for determining the shaft position or the sensor position on the housing could be used.
  • At least three sensors must be arranged for gap measurement distributed over the circumference of the housing.
  • rotor position and housing deformation i. for so-called ovalisation
  • at least five or more probes should be available. If it is possible to specify a major direction of ovalization, e.g. Due to the nature of the engine mount, it is also possible to work with only four probes and still calculate the size of the ovality. Alternatively, with only four probes, ovalization can be calculated assuming an overall minimum deformation of the housing.
  • the method according to the invention for contactless blade vibration measurement with sensors arranged around the circumference of a rotor provided with moving blades and with a signal detection unit and an evaluation unit has the following steps: a) Detecting the sensor signals, in particular by means of the signal detection unit
  • evaluation unit b) analyzing the sweep time and the amplitude swing; c) analysis of the radial gap; d) calculation of the rotor position and possibly the housing ovalization based on the radial gap at the respective sensor position; e) calculating the sensor positions effective for the rotor; f) Analysis of the vibrations based on the effective sensor positions.
  • the sensor signals are read, for example via a signal acquisition card, which converts the analog measurement signals into digital signals, directly into an evaluation unit and analyzed there by means of appropriate hardware and / or software with respect to the cycle time and the amplitude. Subsequently, the analysis is made with respect to the radial gaps and vibrations of the blades.
  • the position of the rotor axis and the deformation of the housing can be continuously calculated from the radial gaps that are present at each sensor position by means of the evaluation software. From these data, the sensor positions effective for the rotor can be calculated. From this, in turn, correction values for the nominal positions of the sensors can be determined. These corrections or "follow-up" of the sensors take place in the same time frame as the vibration analysis, so that the sensor positions can be tracked point by point over time or over the rotational speed, thereby enabling the disturbances caused by the movement of the rotor axis relative to the housing axis and eliminated by the housing deformation.
  • the amplitude resolution can be considerably improved in the analysis of resonant oscillations.
  • oscillation amplitudes should be indicated immediately and also at constant rotational speed, which is why a resonance curve fit known from the prior art is not possible.
  • Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of a preferred exemplary embodiment of the invention with reference to FIGS. Show it:
  • Fig. 1 is a schematic representation of the Nachchtung the effective
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the non-contact
  • FIG. 1 shows the tracking of the effective probe position in a contactless blade vibration measurement (BSSM) by means of an integrated radial gap analysis according to the present invention.
  • BSSM contactless blade vibration measurement
  • housing axis 4 located in the center of the compressor housing 2 and the rotor axis 5 are shown in FIG. Both axes 4, 5 are not aligned in the present exemplary embodiment and are therefore offset from one another.
  • the circumference of the rotor 3 equipped with blades is indicated by the circle shown in dashed lines within the housing 2.
  • the first sensor 6 serves to measure the gap d1 between the housing inner wall of the housing 2 and the blade tips of the blades of the rotor 3.
  • the second sensor 7 is used to measure the gap d2
  • the third sensor 8 is used to measure the gap d3
  • the fourth Sensor 9 is used to measure the gap d4 between the housing inner wall of the housing 2 and the blade tips of the Blades of the rotor 3. It is obvious that the gap widths d1, d2, d3, d4 are not all the same. Thus, an eccentricity can already be determined on the basis of the gap measurement alone, which in the present case is due to the staggered position of the rotor axis.
  • a circular arc segment ⁇ l2 is present on the housing periphery.
  • the first sensor 6 determines the blade tip gap d1 and the second sensor 7 determines the blade tip distance d1. From these gap measurements, the circular arc segment ⁇ l2 'of the corresponding blade tips is determined, which is shown in FIG. 1 as a dashed line.
  • the displacement of the rotor axis 5 can be calculated as the center of the circle formed by the circular arc segments ⁇ l2 ', ⁇ 23', ⁇ 34 'and ⁇ 41'.
  • the leading to the rotor axis 5 radii of the circle thus formed are shown in dashed lines in Figure 1.
  • the sensor position of the first sensor 6, of the second sensor 7, of the third sensor 8 and of the fourth sensor 9 can hereby be provided with a correction value and quasi "tracked.” If corresponding algorithms are used, even with only four sensors 6, 7, 8 , 9 the housing deformation or the ovalization are calculated.
  • FIG. 2 shows a schematic basic illustration of the contactless blade vibration measurement according to the present invention, wherein only a quarter of the rotor disk 11 equipped with rotor blades 10 is shown in FIG.
  • a rotation sensor 12 On the rotor disk 11, a rotation sensor 12 is provided, which can be used to adjust the calculated values.
  • the capacitive sensors 6, 7 are, as in 2 indicated, connected to the evaluation unit 13 via data cable and a signal detection unit.
  • the measuring signals of the sensors 6, 7 and 12 are fed via a signal detection unit (for example an analog / digital converter) 14 into the evaluation unit 13 and pass through corresponding calculation steps there.
  • the evaluation unit 13 can be embodied as special hardware or as a standard computer equipped with special software. The ability of the evaluation unit for real-time processing of the measurement data is advantageous.
  • FIG. 2 the individual method steps that take place in the evaluation unit according to the present invention are illustrated schematically as a type of flowchart.
  • processing of the sensor signals digitized by the analogue / digital converter in the evaluation unit and, in processing step b), the analysis of the cycle time and the amplitude deviation are carried out first during processing step a).
  • processing step e the calculation of the probe position effective for the rotor, i. the probe position is mathematically "tracked.” On the basis of these positions, the analysis of the blade vibrations then takes place in processing step f).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Eine Vorrichtung zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung mit um den Umfang eines mit Laufschaufeln (10) ausgebildeten Rotors (3) angeordneten Sensoren (6, 7, 8, 9), einer Signalerfassungseinheit (14) und einer Auswerteeinheit (13), ist dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zur Bestimmung der Rotorlage und/oder der Gehäuseverformung vorgesehen sind. Ferner wird ein Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung angegeben. Hierdurch werden die technischen Probleme des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung zur Verfügung gestellt. Insbesondere werden durch die erfindungsgemäße Lösung die Wirkung von Rotorradialbewegungen und Gehäuseverformungen, d.h. von Ovalisierung, auf die Messdaten eliminiert und hierdurch unter allen Bedingungen eine hohe Amplitudenauflösung bei der Schwingungsanalyse gewährleistet.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR BERUHRUNGSLOSEN SCHAUFELSCHWINGUNGSMESSUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung mit um den Umfang eines mit Laufschaufeln ausgebildeten Rotors angeordneten Sensoren, einer Signalerfassungseinheit und einer Auswerteeinheit sowie ein Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung.
Grundsätzlich ist die berührungslose Schaufelschwingungsmessung (BSSM) an Laufschaufeln von Axialverdichtern von Gasturbinen für Flugantriebe oder für stationäre Industriegasturbinen aus dem Stand der Technik, im internationalen Bereich häufig unter dem Namen Tip-Timing, bekannt. Diese Messungen sind erforderlich, da während des Betriebs auf die Schaufeln hohe statische und wechselnde aerodynamische Kräfte wirken, welche die Schaufeln zu Schwingungen anregen. Unter anderem können dafür die Druckverteilung in der Gasströmung aufgrund der Einlaufgeometrie, Veränderungen des Spalts zwischen Schaufelspitzen und Gehäuse verursacht durch Ovalisierung des Gehäuses, oder die Statorgitter verantwortlich sein. Diese Schwingungsquellen sind an das Triebwerksgehäuse gebunden und erzeugen daher Schwingungen mit Vielfachen der Umdrehungsgeschwindigkeit der Rotorwelle, so genannte resonante Schwingungen. Schwingungen anderer Art werden durch aerodynamische Instabilitäten ausgelöst, hierzu gehören Flatterschwingungen und Schwingungen beim Verdichterpumpen.
Starke Schwingungen können zu Rissbildung in den Verdichterschaufeln und letztendlich zu Schaufelversagen führen, was den Totalausfall eines Turbinentriebwerks bewirken kann. Dies kann insbesondere bei Bauteilen für den Flugbetrieb fatale Folgen haben.
Daher werden bei der Entwicklung von derartigen Triebwerken Schaufelschwingungsmessungen vorgenommen. Entsprechende Messungen in Serientriebwerken sind prinzipiell ebenso möglich. Bei älteren bekannten Messverfahren werden die Schaufelschwingungen mittels Dehnungsmessstreifen und Telemetrieübertragung, d.h. nicht berührungslos, überwacht. Dies ist jedoch mit erhöhtem apparativen Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden, weshalb die berührungslosen Messmethoden vorzuziehen sind.
Berührungslose Schaufelschwingungsmesssysteme (BSSM) werden daher eingesetzt, um die Schaufelschwingungen in Verdichtern an den Schaufelspitzen zu überwachen und verlässlich die Lebensdauer der Laufschaufeln vorhersagen zu können, wobei die Verfahren zum Teil auch gleichzeitig den Radialspalt zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse messen können. Dabei sind unterschiedliche Messsysteme bekannt.
Ein bekanntes Messsystem zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung nutzt beispielsweise kapazitive Sensoren im Triebwerksgehäuse sowohl zur Schwingungs- als auch zur Radialspaltmessung an den Laufschaufeln von Axialverdichtern. Dabei können die verwendeten Sensoren im Temperaturbereich bis etwa 700°C eingesetzt werden, was den Einsatz an allen Verdichterstufen ermöglicht. Grundprinzip der Schwingungsmessung ist eine Laufzeitmessung der unter den Sensoren vorbeilaufenden Schaufelspitzen. Dabei kommen schwingende Schaufeln abhängig vom momentanen Auslenkungszustand früher oder später an den Sensoren vorbei. Die Spaltinformation steckt bei diesem Messverfahren in der Variation der Signalamplitude, wenn sich eine Schaufel einem Sensor nähert und unter ihm durchläuft. Durch Analyse der Durchlaufzeiten und des Amplitudenhubs, können Schwingfrequenzen, Schwingamplituden und Radialspalte aller Laufschaufeln einer Rotorstufe bestimmt und analysiert werden. Für die Schwingungsmessung müssen die genauen Positionen der Sensoren am Umfang des Gehäuses bekannt sein, was im Ruhezustand durch einfaches Ausmessen der jeweiligen Sensorposition erfolgen kann. Während des Betriebs eines Triebwerks kommt es aber zu radialen Bewegungen der Rotorachse relativ zur Gehäuseachse und zu Gehäuseverformungen. Ursache hierfür sind unter anderen Schwerkrafteffekte, asymmetrische Verhältnisse am Triebwerkseinlauf oder thermische Effekte, wie beispielsweise solche, die beim Öffnen und Schließen von Bleedventilen ausgelöst werden. Effekte dieser Art führen zu Änderungen der vom Rotor aus gesehenen wirksamen Sensorpositionen und damit zu Störungen bzw. Fehlern bei der Schwingungsanalyse. Das ist insbesondere bei der Analyse resonanter Schwingungen höher liegender Schwingmoden, die an der Schaufelspitze nur kleine Auslenkungen generieren, der Fall. Spätestens, wenn die Verschiebung der wirksamen Sensorposition die Größenordnung der zu messenden Schwingungsauslenkung erreicht, ist eine genaue Messung der Schwingamplitude nur noch sehr schwierig oder gar nicht möglich.
Die Auswirkung der beschriebenen Störungen ist vor allem bei resonanten Schwingungen kritisch, denn hier kommen die Laufschaufeln bei einer bestimmten Drehzahl bei jeder Umdrehung im gleichen Auslenkungszustand an den Sensoren vorbei, da hier die Schwingbewegung phasenmäßig an das Triebwerksgehäuse gebunden ist.
Diese Effekte werden bei den bekannten Tip-Timing-Systemen nicht berücksichtigt. Resonante Schwingungen werden in der Regel umdrehungsweise ausgewertet. Die genannten Störungen, d.h. die Bewegung der Rotorachse relativ zur Gehäuseachse und die Gehäuseverformung, d.h. insbesondere die Ovalisierung, überlagern aber die so gewonnenen Messdaten und schränken die Amplitudenaufiösung bzw. die Messgenauigkeit entsprechend ein.
In manchen Fällen werden die auf diese Weise gewonnenen Messdaten eines kompletten Resonanzdurchlaufs gemeinsam durch Resonanzkurvenfit ausgewertet. Fitparameter sind Amplitude und Frequenz im Resonanzpunkt sowie weitere Parameter. Hierdurch wird der Einfluss im Bereich der Resonanz konstanter Offsets auf den Winkelpositionen der Sonden zwar weitgehend beseitigt, wenn es aber in der Resonanz zu einer plötzlichen Veränderung der Rotorlage oder der Gehäuseform kommt, wie dies beispielsweise durch Öffnen oder Schließen der Bleedventile geschehen kann, schlägt dies als Störung bzw. Fehler auf die Messdaten durch.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten technischen Probleme des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wirkung von Rotorradialbewegungen und Gehäuseverformungen, der so genannten Ovalisierung, auf die Messdaten zu eliminieren, um unter allen Bedingungen eine hohe Amplitudenauflösung bei der Schwingungsanalyse zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung werden die technischen Probleme des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung zur Verfügung gestellt. Insbesondere werden durch die erfindungsgemäße Lösung die Wirkung von Rotorradialbewegungen und Gehäuseverformungen, d.h. von Ovalisierung, auf die Messdaten eliminiert und hierdurch unter allen Bedingungen eine hohe Amplitudenauflösung bei der Schwingungsanalyse gewährleistet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung mit um den Umfang eines mit Laufschaufeln versehenen Rotors angeordneten vorzugsweise kapazitiven Sensoren, einer Signalerfassungseinheit und einer Auswerteeinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Einrichtungen zur Bestimmung der Rotorlage und/oder der Gehäuseverformung, d.h. der Ovalisierung aufweist. Die Einrichtungen zur Bestimmung der Rotorlage und/oder der Gehäuseverformung können vorteilhafterweise sowohl als Hardware- oder als Software- Komponenten ausgebildet sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Eigenschaft der für die berührungslose Schaufelschwingungsmessung vorhandenen Sensoren zur Spaltmessung ausgenutzt wird und die entsprechenden Messergebnisse zur Bestimmung der Rotorlage und/oder der Gehäuseverformung verwendet werden. Dies stellt eine einfache und kostengünstige Lösung dar. Alternativ könnten auch zusätzliche Lagesensoren zur Bestimmung der Wellenlage bzw. der Sensorlage am Gehäuse verwendet werden.
Für die Berechnung der Rotorlage müssen zumindest drei Sensoren zur Spaltmessung über den Umfang verteilt am Gehäuse angeordnet sein. Für die Berechnung von Rotorlage und Gehäuseverformung, d.h. für die so genannte Ovalisierung, sollten zumindest fünf oder mehr Sonden zur Verfügung stehen. Wenn es möglich ist eine Hauptrichtung der Ovalisierung vorzugeben, z.B. aufgrund der Art der Triebwerksaufhängung, kann auch mit nur vier Sonden gearbeitet und trotzdem die Größe der Ovalität berechnet werden. Alternativ kann mit nur vier Sonden eine Ovalisierung unter der Annahme einer insgesamt minimalen Verformung des Gehäuses berechnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung mit um den Umfang eines mit Laufschaufeln versehenen Rotors angeordneten Sensoren und einer Signalerfassungseinheit und einer Auswerteeinheit, weist folgende Schritte auf: a) Erfassen der Sensorsignale, insbesondere mittels der Signalerfassungseinheit, in der
Auswerteeinheit; b) Analysieren der Durchlaufzeit und des Amplitudenhubs; c) Analyse des Radialspalts; d) Berechnung der Rotorlage und ggf. der Gehäuseovalisierung anhand des Radialspalts an der jeweiligen Sensorposition; e) Berechnung der für den Rotor wirksamen Sensorpositionen; f) Analyse der Schwingungen auf Basis der wirksamen Sensorpositionen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Sensorsignale beispielsweise über eine Signalerfassungskarte, welche die analogen Messsignale in digitale Signale wandelt, direkt in eine Auswerteeinheit eingelesen und dort mittels entsprechender Hardware und/oder Software in bezug auf die Durchlaufzeit und die Amplitude analysiert. Anschließend erfolgt die Analyse bezüglich der Radialspalte und Schwingungen der Laufschaufeln.
Aus den Radialspalten, die an jeder Sensorposition vorhanden sind, können mittels der Auswertungssoftware kontinuierlich die Lage der Rotorachse und die Verformung des Gehäuses berechnet werden. Aus diesen Daten können die für den Rotor wirksamen Sensorpositionen berechnet werden. Hieraus können wiederum Korrekturwerte für die Nominalpositionen der Sensoren ermittelt werden. Diese Korrekturen bzw. dieses „Nachfuhren" der Sensoren erfolgen im gleichen Zeitraster wie die Schwingungsanalyse, so dass die Sensorpositionen Punkt für Punkt über der Zeit bzw. über der Drehzahl nachgeführt werden können. Hierdurch können die Störungen, durch die Bewegung der Rotorachse relativ zur Gehäuseachse und durch die Gehäuseverformung beseitigt werden.
Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen kann die Amplitudenauflösung bei der Analyse resonanter Schwingungen erheblich verbessert werden. Insbesondere bei der Realtime- Analyse sollen Schwingamplituden sofort und auch bei konstanter Drehzahl angegeben werden, weshalb ein aus dem Stand der Technik bekannter Resonanzkurvenfit nicht möglich ist. Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Nachfuhrung der wirksamen
Sondenposition bei einer berührungslosen Schaufelschwingungsmessung;
Fig. 2 eine schematische Prinzipdarstellung der berührungslosen
Schaufelschwingungsmessung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die schematische Schnittdarstellung gemäß Figur 1 zeigt die Nachführung der wirksamen Sondenposition bei einer berührungslosen Schaufelschwingungsmessung (BSSM) durch eine integrierte Radialspaltanalyse gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dabei sind vier kapazitive Sensoren 6, 7, 8, 9 über den Umfang des Verdichtergehäuses 2 verteilt angeordnet. Die Montage der Sensoren 6, 7, 8, 9 erfolgt z.B. durch Einschrauben in entsprechende Gewindebohrungen im Gehäusemantel.
Ferner sind die im Zentrum des Verdichtergehäuses 2 liegende Gehäuseachse 4 und die Rotorachse 5 in Figur 1 gezeigt. Beide Achsen 4, 5 fluchten im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel nicht und liegen folglich versetzt zueinander. Der Umfang des mit Laufschaufeln bestückten Rotors 3 ist durch den gestrichelt dargestellten Kreis innerhalb des Gehäuses 2 angedeutet.
Der erste Sensor 6 dient dabei der Messung des Spaltes dl zwischen der Gehäuseinnenwand des Gehäuses 2 und den Schaufelspitzen der Laufschaufeln des Rotors 3. Der zweite Sensor 7 dient der Messung des Spaltes d2, der dritte Sensor 8 dient der Messung des Spaltes d3 und der vierte Sensor 9 dient der Messung des Spaltes d4 zwischen der Gehäuseinnenwand des Gehäuses 2 und den Schaufelspitzen der Laufschaufeln des Rotors 3. Dabei ist offensichtlich erkennbar, dass die Spaltbreiten dl, d2, d3, d4 nicht alle gleich sind. Somit kann schon allein aufgrund der Spaltmessung eine Exzentrizität festgestellt werden, die im vorliegenden Fall auf die versetzte Lage der Rotorachse zurückgeht.
Zwischen dem ersten Sensor 6 und dem zweiten Sensor 7 ist auf dem Gehäuseumfang ein Kreisbogensegment υl2 vorhanden. Der erste Sensor 6 ermittelt dabei den Schaufelspitzenspalt dl und der zweite Sensor 7 ermittelt den Schaufelspitzenabstand dl. Aus diesen Spaltmessungen wird das Kreisbogensegment υl2' der korrespondierenden Schaufelspitzen ermittelt, welches in der Figur 1 als gestrichelte Linie dargestellt ist.
In gleicher Weise werden die entsprechenden Kreisbogensegmente υ23', υ34' und υ41' in Relation zu den entsprechenden Sondenpositionen 7, 8, 9, 6 ermittelt.
Hierdurch lässt sich die Verschiebung der Rotorachse 5 als Zentrum des durch die Kreisbogensegmente υl2', υ23', υ34' und υ41 'gebildeten Kreises berechnen. Die zur Rotorachse 5 führenden Radien des so gebildeten Kreises sind in Figur 1 gestrichelt dargestellt. Die Sensorposition des ersten Sensors 6, des zweiten Sensors 7, des dritten Sensors 8 and des vierten Sensors 9 kann hierdurch mit einem Korrekturwert versehen werden und quasi „nachgeführt" werden. Bei Verwendung entsprechender Algorithmen kann sogar mit nur vier Sensoren 6, 7, 8, 9 die Gehäuseverformung bzw. die Ovalisierung berechnet werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung der berührungslosen Schaufelschwingungsmessung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei nur ein Viertel der mit Laufschaufeln 10 bestückten Rotorscheibe 11 in Figur 2 gezeigt ist.
An der Rotorscheibe 11 ist ein Umdrehungssensor 12 vorgesehen, der zum Abgleich der berechneten Werte verwendet werden kann. Die kapazitiven Sensoren 6, 7 sind, wie in der Figur 2 angedeutet, mit der Auswerteeinheit 13 über Datenkabel und eine Signalerfassungseinheit verbunden.
Die Messsignale der Sensoren 6, 7 und 12 werden über eine Signalerfassungseinheit (z.B. einen Analog/Digital Wandler) 14 in die Auswerteeinheit 13 eingespeist und durchlaufen dort entsprechende Berechnungsschritte. Die Auswerteeinheit 13 kann dabei als spezielle Hardware oder als mit spezieller Software ausgestatteter Standard- Computer ausgebildet sein. Dabei ist die Fähigkeit der Auswerteeinheit zur Echtzeitverarbeitung der Messdaten vorteilhaft.
In Figur 2 sind die einzelnen Verfahrensschritte, die in der Auswerteeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ablaufen, schematisch als eine Art Flussdiagramm dargestellt.
In dem dargestellten Flussdiagramm erfolgt zunächst bei Verarbeitungsschritt a) das Erfassen der von dem Analog/Digital Wandler digitalisierten Sensorsignale in der Auswerteeinheit und bei Verarbeitungsschritt b) das Analysieren der Durchlaufzeit und des Amplitudenhubs.
Dann erfolgt bei Verarbeitungsschritt c) die Analyse des Radialspalts und bei Verarbeitungsschritt d) die Berechnung der Rotorlage sowie (bei entsprechender Anzahl von Sensoren) die Berechnung der Gehäuseovalität anhand der Radialspaltmessungen an den jeweiligen Sondenpositionen, wie bereits beispielhaft zu Figur 1 ausgeführt.
Schließlich erfolgt bei Verarbeitungsschritt e) die Berechnung der für den Rotor wirksamen Sondenposition, d.h. die Sondenposition wird rechnerisch „nachgeführt". Auf Basis dieser Positionen erfolgt dann bei Verarbeitungsschritt f) die Analyse der Schaufelschwingungen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung mit um den Umfang eines mit Laufschaufeln (10) ausgebildeten Rotors (3) angeordneten Sensoren (6, 7, 8, 9), einer Signalerfassungseinheit (14)und einer Auswerteeinheit (13), dadurch gekennzeichnet, dass
Einrichtungen zur Bestimmung der Rotorlage und/oder der Gehäuseverformung vorgesehen sind.
2. Vorrichtung zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei über den Umfang verteilt angeordnete Sensoren (6, 7, 8) zur Bestimmung des Radialspaltes (dl, d2, d3) vorgesehen sind.
3. Vorrichtung zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vier, vorzugsweise fünf über den Umfang verteilt angeordnete
Sensoren (6, 7, 8, 9) zur Bestimmung des Radialspaltes vorgesehen sind.
4. Vorrichtung zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (6, 7, 8, 9) als kapazitive oder optische Sensoren ausgebildet sind, oder mit Mikrowellen oder mit Wirbelströmen arbeiten.
5. Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung mit um den Umfang eines mit Laufschaufeln (10) ausgebildeten Rotors (3) angeordneten Sensoren (6, 7, 8, 9) und einer Signalerfassungseinheit (14) und einer Auswerteeinheit (13), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Erfassen der Sensorsignale, insbesondere mittels der Signalerfassungseinheit, in der Auswerteeinheit; b) Analysieren der Durchlaufzeit und des Amplitudenhubs; c) Analyse des Radialspalts; d) Berechnung der Rotorlage anhand des Radialspalts an der jeweiligen Sensorposition; e) Berechnung der für den Rotor wirksamen Sensorposition; und f) Analyse der Schwingungen auf Basis der wirksamen Sensorpositionen.
6. Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung nach Patentanspruch 5, wobei nach Schritt d) die Berechnung der Gehäuseverformung erfolgt.
7. Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung nach Patentanspruch 5 oder 6, wobei nach Schritt e) die Berechnung eines Korrekturwerts für die Nominalposition der Sensoren erfolgt.
8. Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung nach einem der Patentansprüche 5 bis 7, wobei die Berechnungen der Rotorlage und/oder der Gehäuseverformung im gleichen Zeitraster wie die Schwingungsanalyse erfolgen.
EP07856094A 2006-12-21 2007-12-12 Vorrichtung und verfahren zur berührungslosen schaufelschwingungsmessung Withdrawn EP2092280A2 (de)

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