WO2010054644A2 - Verfahren und vorrichtung zur risserkennung an verdichterlaufschaufeln - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur risserkennung an verdichterlaufschaufeln Download PDF

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    • F05D2270/304—Spool rotational speed

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for crack detection on compressor blades, and in particular for crack detection on compressor blades in turbomachinery by length and Entwindungspond on the blades.
  • turbo-machines such as e.g. In aircraft engines or industrial gas turbines, the detection of blade cracks, which can occur at high vibration amplitudes and can cause severe consequential damage, is of great importance.
  • Such a method is based on the observation that the vibration frequencies of the blades decrease in a crack.
  • the undamaged rotor is used to pass through a suitable vibration resonance and to precisely measure the position of this resonance for the individual blades. Later, further runs are regularly recorded under the same conditions and the deviation of the resonance positions from those of the reference run is determined.
  • Another method used for crack detection is that blades deform differently after a crack in the centrifugal force field and under the aerodynamic load than in the undamaged state.
  • the relative positions of the blade tips on the rotor winding are calculated from the time data of the vanes passing under the sensors installed in the housing. This is also done in comparison to a reference run with undamaged blades. Blade tears are expressed by deviations from the reference positions.
  • a disadvantage of the resonance position method is that the resonance layers scatter depending on the exact operating conditions of the engine. Even if the measuring runs are always carried out under the same conditions, slight variations in the oscillation frequencies still occur.
  • the individual blade distributions of the measuring and reference runs can be shifted to the same mean value. This is problematic if all the blades tear at the same time, which z. B. can happen in a heavy pump surge.
  • a disadvantage of the blade positioning method described above is that the method is not meaningful if all the blades break at the same time and consequently all blades bend the same. This is not the case when measuring against a signal from the rotor shaft.
  • this in turn has the disadvantage that wave pulses due to the small diameter of the wave provide a poor time resolution, ie the resolution of the process as a whole is worse. It is therefore looking for ways to detect blade cracks early in order to take appropriate action before it comes to major damage. Decisive in the crack detection is also that there is no false alarms, as this would then lead to meaningless additional costs, and with a view to use in the series confidence in the crack detection method would quickly shake.
  • a crack detection apparatus on a compressor blade having a detection means having a plurality of non-contact sensors distributed in a plurality of planes disposed in the vicinity of the rotor for detecting flow times of blades on the sensors a memory device in which data of reference runs at different conditions and speeds are stored, and an analysis unit for comparing the data detected by the detection device with corresponding data from the memory device.
  • a crack detection apparatus on a compressor blade having a detection means having a plurality of non-contact sensors distributed in a plurality of planes disposed in the vicinity of the rotor for detecting relative and absolute changes a gap width between a blade and the compressor housing, a storage device in which data of reference runs are stored at different conditions and speeds, and an analysis unit for comparing the data detected by the detection device with corresponding data from the storage device.
  • the sensors are distributed in three planes, wherein a first plane in the region of the leading edge of the blades, a second plane in the region of the blade centers and a third plane in the region of the trailing edge of the blades.
  • the detection device performs an absolute measurement in which one of the outputs of the sensors in each of the three planes serves as the zero point for the sensors of the other two planes.
  • the sensors are preferably designed as capacitive, magnetic, eddy current or microwave sensors.
  • a method of crack detection on a compressor blade wherein blade throughput times are sensed at the sensors having a plurality of multi-level contactless sensors disposed in the vicinity of the rotor and at detection detected data are compared with corresponding data from a memory device, wherein in the memory device data of reference runs are stored at different conditions and speeds.
  • a method of crack detection on a compressor blade wherein relative and absolute variations of a gap width between a blade and the compressor housing are detected with a plurality of multi-level distributed non-contact sensors disposed in the vicinity of the rotor , and those included in the collection
  • Data are compared with corresponding data from a memory device, wherein in the memory device data of reference runs are stored at different conditions and speeds.
  • a crack detection system on a compressor blade comprising a device according to the first aspect and a device according to the second aspect of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a contactless blade vibration measurement with capacitive sensors according to one exemplary embodiment.
  • a non-contact vibration and gap measurement apparatus which utilizes capacitive sensors in the engine housing over the rotors for both vibration and radial gap measurements on the blades of axial compressors.
  • sensors can be used, such as magnetic sensors, eddy current sensors or microwave sensors.
  • the basic principle of the vibration measurement is a transit time measurement, with vibrating blades coming past the sensors sooner or later depending on the instantaneous deflection state.
  • the gap information is in the variation of the signal amplitude as the blades pass under a probe.
  • the capacitive sensors 51, 52 ultimately provide the flow times of the blades on the sensors and the gap between the blade tips and the compressor housing.
  • Fig. 1 shows a section of a compressor stage 40 with a plurality of compressor blades 40a, 40b. At a certain distance capacitive sensors 51, 52 are arranged, which can detect the passage of the blades. In this case, the flow times of the blades fluctuate when vibrations occur, the fluctuations depending on the vibration frequency and the vibration amplitude. Furthermore, as shown in Fig. 1, a sensor 60 is mounted which emits one pulse per revolution, whereby the values detected by the sensors 51, 52 can be correlated with this pulse.
  • the sensors are not arranged in one plane above the rotor but are typically arranged on three electrodes. one near the leading edge, one near the blade center and a third near the trailing edge of the blade. This gives the opportunity to get more information about potential blade cracks.
  • a method according to a first exemplary embodiment represents an extension of the blade position method.
  • the relative positions of the blades relative to one another are not determined and compared with a reference run, but for each blade the positions of the leading edge, center and trailing edge.
  • a method according to a second embodiment uses gap measurement data. It is based on the assumption that the length of a blade in the centrifugal force field changes with a crack, and thus also the gap to the housing.
  • the blade length profile of the intact rotor is measured and then the results of later runs are compared with the reference profile.
  • a blade crack will be noticeable by a relative and absolute reduction of the gap or extension of the blade.
  • The- The measurement can be carried out on all axial measurement planes, so that the method is also sensitive if the crack only has an effect on the leading edge or only on the trailing edge of the blade.
  • Another positive aspect of this method is that it also cracks can be detected, which only slightly influence the frequency of a resonance, so z.
  • a crack which is generated by a higher vibration mode in the upper part of the blade, and has no effect on the frequency of resonance of a basic mode, that is about the first bending mode or the first torsional mode of the blade.
  • disc cracks can be detected. Depending on how the crack runs in the disk, the crack may change the radial position and the circumferential position of the blades in the region of the crack relative to the undisturbed state. On the other hand, a crack in the disc can also influence the balancing situation of the rotor. This can lead to rotor orbiting, a more or less circular radial movement of the rotor axis relative to the housing axis.
  • the Aufhahmesystem can be designed as a learning system for series applications in which reference profiles are automatically recorded and stored in a constantly expanding library. As a result, current measurements can be made continuously and automatically and compared to the appropriate reference runs in the library.
  • the measurement accuracy or the sensitivity of the measuring method increases.

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Abstract

Zur Risserkennung an Verdichterlaufschaufeln erfasst eine Erfassungseinrichtung mit in mehreren Ebenen verteilten berührungslosen Sensoren, die in der Umgebung des Rotors angeordnet sind, Durchlaufzeiten von Schaufeln an den Sensoren und/oder relative und absolute Änderungen einer Spaltbreite zwischen einer Schaufel und dem Verdichtergehäuse. Die erfassten Daten werden mit entsprechenden Referenzdaten in einer Speichereinrichtung verglichen und analysiert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Risserkennung an Verdichterlaufschaufeln
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Risserkennung an Verdichterlaufschaufeln, und insbesondere zur Risserkennung an Verdichterlaufschaufeln in Turbomaschinen durch Längen- und Entwindungsmessung an den Schaufeln.
Bei einem Einsatz von Turbomaschinen, wie z.B. bei Flugzeugtriebwerken oder Industriegasturbinen, ist die Erkennung von Schaufelrissen, die bei hohen Schwingamplituden entstehen können und schwere Folgeschäden verursachen können, von großer Bedeutung.
Der Abriss einer Schaufel führt meistens zum Totalverlust eines Triebwerks, was während der Triebwerksentwicklung zu Zusatzkosten und Verzögerungen führt, in der Serie aber vor allem auch ein hohes Risiko für Passagiere oder Arbeiter bedeutet.
Aus dem Stand der Technik sind für die Anwendung in Turbomaschinen verschiedene
Verfahren zur Risserkennung bekannt.
Ein solches Verfahren basiert auf der Beobachtung, dass sich die Schwingfrequenzen der Schaufeln bei einem Riss verringern.
Zu Beginn einer Versuchskampagne wird mit dem unbeschädigten Rotor eine geeignete Schwingungsresonanz durchfahren und die Lage dieser Resonanz für die einzelnen Schaufeln genau vermessen. Später werden regelmäßig weitere Läufe unter gleichen Bedingungen aufgezeichnet und die Abweichung der Resonanzlagen zu denen des Refe- renzlaufs bestimmt.
Ein weiteres Verfahren nutzt zur Risserkennung aus, dass sich Schaufeln nach einem Anriss im Fliehkraftfeld und unter der aerodynamischen Last anders verformen als im unbeschädigten Zustand. Um diese Änderung zu messen, werden aus den Zeitdaten der unter im Gehäuse eingebauten Sensoren vorbeilaufenden Schaufeln die relativen Positionen der Schaufelspitzen auf der Rotorabwicklung berechnet. Dies erfolgt ebenfalls im Vergleich zu einem Refe- renzlauf mit unbeschädigten Schaufeln. Schaufelrisse äußern sich durch Abweichungen von den Referenzpositionen.
Nachteilig beim Resonanzlageverfahren ist, dass die Resonanzlagen abhängig von den genauen Betriebsbedingungen des Triebwerks streuen. Auch wenn die Messläufe immer unter den gleichen Bedingungen durchgeführt werden, treten noch leichte Streuungen in den Schwingfrequenzen auf.
Andererseits zeigt die Erfahrung, dass zumindest bei den Grundschwingungsmoden und Rissen im unteren Bereich des Schaufelblatts schnell Frequenzverschiebungen in einer Größe auftreten können, die problemlos gemessen werden kann. Es sind aber auch
Risspositionen möglich, die die Schwingfrequenz einer Resonanz wenig oder gar nicht beeinflussen.
Ein weiterer Aspekt sind temperaturbedingte Frequenzverschiebungen. Diese können herausgerechnet werden, aber natürlich nur so genau, wie die Temperatur der Schaufeln bekannt ist.
Alternativ können die Einzelschaufelverteilungen des Mess- und des Referenzlaufs auf den gleichen Mittelwert geschoben werden. Dies ist problematisch, wenn alle Schaufeln gleichzeitig reißen, was z. B. bei einem schweren Pumpstoß passieren kann.
Ein Nachteil des vorstehend beschriebenen Schaufelpositionsverfahrens ist, dass das Verfahren nicht aussagefähig ist, wenn alle Schaufeln gleichzeitig reißen und sich in Folge alle Schaufeln gleich verbiegen. Dies ist nicht der Fall, wenn gegen ein Signal von der Rotorwelle gemessen wird. Dies hat aber wiederum den Nachteil, dass Wellenimpulse wegen des kleinen Durchmessers der Welle eine schlechte Zeitauflösung liefern, d. h. die Auflösung des Verfahrens insgesamt wird schlechter. Es wird daher nach Möglichkeiten gesucht, Schaufelrisse früh zu erkennen, um geeignete Maßnahmen einleiten zu können, bevor es zu größeren Schäden kommt. Entscheidend bei der Risserkennung ist aber auch, dass es zu keinen Fehlalarmen kommt, da dies zu dann sinnlosen Zusatzkosten führen würde, und mit Blick auf Einsatz in der Serie das Vertrauen in das Risserkennungsverfahren schnell erschüttern würde.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren für eine Risserkennung an Verdichterlaufschaufeln bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und Anspruch 2, sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 und Anspruch 7 gelöst.
Weitere Merkmale und bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprü- chen dargelegt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Risserkennung an einer Verdichterlaufschaufel bereitgestellt, die eine Erfassungsein- richtung mit einer Vielzahl in mehreren Ebenen verteilten berührungslosen Sensoren, die in der Umgebung des Rotors angeordnet sind, zum Erfassen von Durchlaufzeiten von Schaufeln an den Sensoren, eine Speichereinrichtung, in der Daten von Referenzläufen bei unterschiedlichen Bedingungen und Drehzahlen gespeichert sind, und eine Analyseeinheit zum Vergleichen der durch die Erfassungseinrichtung erfassten Daten mit entsprechenden Daten aus der Speichereinrichtung umfasst.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Risserkennung an einer Verdichterlaufschaufel bereitgestellt, die eine Erfassungsein- richtung mit einer Vielzahl in mehreren Ebenen verteilten berührungslosen Sensoren, die in der Umgebung des Rotors angeordnet sind, zum Erfassen von relativen und abso- luten Änderungen einer Spaltbreite zwischen einer Schaufel und dem Verdichtergehäuse, eine Speichereinrichtung, in der Daten von Referenzläufen bei unterschiedlichen Bedingungen und Drehzahlen gespeichert sind, und eine Analyseeinheit zum Vergleichen der durch die Erfassungseinrichtung erfassten Daten mit entsprechenden Daten aus der Speichereinrichtung umfasst. Vorzugsweise sind die Sensoren in drei Ebenen verteilt, wobei sich eine erste Ebene im Bereich der Vorderkante der Schaufeln, eine zweite Ebene im Bereich der Schaufelmitten und eine dritte Ebene im Bereich der Hinterkante der Schaufeln befindet.
Weiterhin fuhrt die Erfassungseinrichtung eine Absolutmessung durch, bei der jeweils eine der Ausgaben der Sensoren in einer der drei Ebenen als Nullpunkt für die Sensoren der anderen beiden Ebenen dient.
Die Sensoren sind vorzugsweise als kapazitive, magnetische, Wirbelstrom- oder Mikrowellensensoren ausgebildet.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Risserkennung an einer Verdichterlaufschaufel bereitgestellt, wobei Durchlaufzeiten von Schaufeln an den Sensoren mit einer Vielzahl in mehreren Ebenen verteilten berührungslosen Sensoren erfasst werden, die in der Umgebung des Rotors angeordnet sind, und die bei der Erfassung erfassten Daten mit entsprechenden Daten aus einer Speichereinrichtung verglichen werden, wobei in der Speichereinrichtung Daten von Referenzläufen bei unterschiedlichen Bedingungen und Drehzahlen gespeichert sind.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Risserkennung an einer Verdichterlaufschaufel bereitgestellt, wobei relative und absolute Änderungen einer Spaltbreite zwischen einer Schaufel und dem Verdichtergehäuse mit einer Vielzahl in mehreren Ebenen verteilten berührungslosen Sensoren erfasst werden, die in der Umgebung des Rotors angeordnet sind, und die bei der Erfassung erfassten
Daten mit entsprechenden Daten aus einer Speichereinrichtung verglichen werden, wobei in der Speichereinrichtung Daten von Referenzläufen bei unterschiedlichen Bedingungen und Drehzahlen gespeichert sind.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Risserkennung an einer Verdichterlaufschaufel bereitgestellt, das eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt und eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst. Anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das unter Bezugnahme auf die anhängende Zeichnung erläutert wird, wird der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ersichtlich.
In der Zeichnung gilt:
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer berührungslosen Schaufelschwingungsmessung mit kapazitiven Sensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zur berührungslosen Schwingungsund Spaltmessung bereitgestellt, das kapazitive Sensoren im Triebwerksgehäuse über den Rotoren sowohl zur Schwingungs- als auch zur Radialspaltmessung an den Laufschaufeln von Axialverdichtern verwendet.
Anstatt der kapazitiven Sensoren können auch andere Sensoren verwendet werden, wie beispielsweise magnetische Sensoren, Wirbelstromsensoren oder Mikrowellensensoren.
Grundprinzip der Schwingungsmessung ist eine Laufzeitmessung, wobei schwingende Schaufeln abhängig vom momentanen Auslenkungszustand früher oder später an den Sensoren vorbei kommen.
Die Spaltinformation steckt in der Variation der Signalamplitude, wenn die Schaufeln unter einer Sonde durchlaufen. Durch Analyse der Durchlaufzeiten und der Variation der Signalamplituden können Schwingungsfrequenzen, Schwingamplituden und Radial- spalte aller Schaufeln einer Rotorstufe bestimmt werden.
Die kapazitiven Sensoren 51, 52, liefern letztlich die Durchlaufzeiten der Schaufeln an den Sensoren und den Spalt zwischen den Schaufelspitzen und dem Verdichtergehäuse.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Verdichterstufe 40 mit einer Vielzahl von Verdichterschaufeln 40a, 40b. In einem bestimmten Abstand sind kapazitive Sensoren 51, 52 angeordnet, die die Durchläufe der Schaufeln erfassen können. Dabei schwanken die Durchlaufzeiten der Schaufeln bei Auftreten von Schwingungen, wobei die Schwankungen von der Schwingungsfrequenz sowie der Schwingungsamplitude abhängen. Weiterhin ist, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Sensor 60 angebracht, der einen Impuls pro Umlauf abgibt, wobei die von den Sensoren 51, 52 erfassten Werte mit diesem Impuls korreliert werden können.
Um möglichst viele Schwingmoden erfassen zu können und in diesem Zusammenhang die Probleme mit Schwingungsknoten an der Schaufelspitze zu verkleinern - ein Sensor an einem Schwingungsknoten sieht diese Schwingung nicht -, werden die Sensoren nicht in einer Ebene über dem Rotor angeordnet, sondern typischerweise auf drei Ebe- nen verteilt, eine nahe der Vorderkante, eine im Bereich der Schaufelmitte und eine dritte nahe der Hinterkante der Schaufel. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, mehr Informationen über potentielle Schaufelrisse zu erhalten.
Ein Verfahren gemäß einem ersten Ausfuhrungsbeispiel stellt eine Erweiterung des S chaufelpositions Verfahrens dar. Hier werden jetzt aber nicht die relativen Positionen der Schaufeln zueinander bestimmt und mit einem Referenzlauf verglichen, sondern für jede Schaufel die Positionen der Vorderkante, Mitte und Hinterkante zueinander.
Es wird also quasi der Staffelwinkel jeder Schaufel gemessen und mit dem Wert des Referenzlaufs verglichen.
Dies ist eine Absolutmessung, da einer der drei Mess werte jeder Schaufel als Nullpunkt für die beiden anderen angesehen werden kann. Wenn alle Schaufeln gleichzeitig reißen, ändern sich die Staffelwinkel aller Schaufeln, und dies wird dann von dem Verfah- ren auch erfasst.
Ein Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet Spaltmessdaten. Es basiert auf der Annahme, dass sich die Länge einer Schaufel im Fliehkraftfeld mit einem Riss ändert, und damit auch der Spalt zum Gehäuse.
Wieder wird mit einem Referenzlauf unter definierten Bedingungen das Schaufellängenprofil des intakten Rotors gemessen und dann die Ergebnisse späterer Messläufe mit dem Referenzprofil verglichen. Ein Schaufelriss wird sich durch eine relative und absolute Verkleinerung des Spalts bzw. Verlängerung der Schaufel bemerkbar machen. Die- se Messung kann auf allen axialen Messebenen durchgeführt werden, so dass das Verfahren auch sensitiv ist, wenn der Riss nur Wirkung an der Vorderkante oder nur an der Hinterkante der Schaufel hat.
Ein weiterer positiver Aspekt dieses Verfahrens ist, dass hiermit auch Risse detektiert werden können, die die Frequenz einer Resonanz nur schwach beeinflussen, also z. B. ein Riss, der durch einen höheren Schwingmode im oberen Teil der Schaufel erzeugt wird, und keine Wirkung auf die Frequenz einer Resonanz eines Grundmodes, also etwa des ersten Biegemodes oder des ersten Torsionsmodes der Schaufel hat.
Auch Scheibenrisse können erfasst werden. Je nachdem, wie der Riss in der Scheibe verläuft, können sich durch den Riss die radiale Position und die Umfangsposition der Schaufeln im Bereich des Risses relativ zum ungestörten Zustand ändern. Zum anderen kann ein Riss in der Scheibe auch die Wuchtsituation des Rotors beeinflussen. Dies kann zu Rotor-Orbiting führen, einer mehr oder weniger kreisförmigen radialen Bewegung der Rotorachse relativ zur Gehäuseachse.
Es können ebenso alle vorstehenden Verfahren gleichzeitig zum Einsatz kommen, d. h. es können Resonanzlage, Schaufelposition, Schaufelentwindung, Schaufellänge und Rotor-Orbiting betrachtet werden. Dies zusammen gibt eine hohe Sicherheit, Schaufelrisse und Scheibenrisse zu erkennen.
Bei der Aufnahme der Referenzläufe können Daten bei unterschiedlichen Bedingungen bzw. Drehzahlen bei konstanter oder veränderlicher Drehzahl aufgenommen werden. Weiterhin kann das Aufhahmesystem als lernendes System für Serienanwendungen ausgebildet sein, in der Referenzprofile automatisch aufgenommen und in einer sich ständig erweiternden Bibliothek abgelegt werden. Demzufolge können aktuelle Messungen ständig und automatisch durchgeführt und mit den passenden Referenzläufen in der Bibliothek verglichen werden.
Auf der Basis eines Schaufelmodells bzw. Schaufelscheibenmodells können Berechnungen theoretischer Änderungen von Frequenzen, Schaufelpositionen, Schaufellängen und Wuchtstatus für verschiedene Risspositionen und Risslängen durchgeführt werden und Alarmlevels definiert werden. Daraus können optimierte Systemeinstellungen, wie etwa Sensorpositionen oder Resonanzen abgeleitet werden.
Ebenso gilt, dass mit der Zahl der verwendeten Sonden die Messgenauigkeit bzw. die Sensitivität des Mess Verfahrens zunimmt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Risserkennung an Verdichterlaufschaufeln, mit: einer Erfassungseinrichtung mit in einer oder mehreren zur Achse der Turbomaschine senkrechten Ebenen verteilten berührungslosen Sensoren, die in der Umgebung des Rotors angeordnet sind, zum Erfassen von Durchlaufzeiten von Schaufeln an den Sensoren; einer Speichereinrichtung, in der Daten von Referenzläufen bei unterschiedlichen Bedingungen und Drehzahlen gespeichert sind; und einer Analyseeinheit zum Vergleichen der durch die Erfassungseinrichtung er- fassten Daten mit entsprechenden Daten aus der Speichereinrichtung.
2. Vorrichtung zur Risserkennung an Verdichterlaufschaufeln, mit: einer Erfassungseinrichtung mit in einer oder mehreren zur Achse der Turbomaschine senkrechten Ebenen verteilten berührungslosen Sensoren, die in der Umgebung des Rotors angeordnet sind, zum Erfassen von relativen und absoluten Ände- rangen einer Spaltbreite zwischen einer Schaufel und dem Verdichtergehäuse; einer Speichereinrichtung, in der Daten von Referenzläufen bei unterschiedlichen Bedingungen und Drehzahlen gespeichert sind; und einer Analyseeinheit zum Vergleichen der durch die Erfassungseinrichtung er- fassten Daten mit entsprechenden Daten aus der Speichereinrichtung.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoren in drei Ebenen verteilt sind, wobei sich eine erste Ebene im Bereich der Vorderkante der Schaufeln, eine zweite Ebene im Bereich der Schaufelmitten und eine dritte Ebene im Bereich der Hinterkante der Schaufeln befindet.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Erfassungseinrichtung eine Absolutmessung durchführt, bei der jeweils eine der Ausgaben der Sensoren in einer der drei Ebenen als Nullpunkt für die Sensoren der anderen beiden Ebenen dient.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensoren als kapazitive, magnetische, Wirbelstrom- oder Mikrowellensensoren ausgebildet sind.
6. Verfahren zur Risserkennung an Verdichterlaufschaufeln einer Turbomaschine, mit den Schritten:
Erfassen von Durchlaufzeiten von Schaufeln an den Sensoren mit in einer oder mehreren zur Achse der Turbomaschine senkrechten Ebenen verteilten berührungslosen Sensoren, die in der Umgebung des Rotors angeordnet sind; und
Vergleichen der bei dem Schritt des Erfassens erfassten Daten mit entsprechen- den Daten aus einer Speichereinrichtung, wobei in der Speichereinrichtung Daten von Referenzläufen bei unterschiedlichen Bedingungen und Drehzahlen gespeichert sind.
7. Verfahren zur Risserkennung an Verdichterlaufschaufeln einer Turbomaschine, mit den Schritten:
Erfassen von relativen und absoluten Änderungen einer Spaltbreite zwischen einer Schaufel und dem Verdichtergehäuse mit in einer oder mehreren zur Achse der Turbomaschine senkrechten Ebenen verteilten berührungslosen Sensoren, die in der Umgebung des Rotors angeordnet sind; und Vergleichen der bei dem Schritt des Erfassens erfassten Daten mit entsprechenden Daten aus einer Speichereinrichtung, wobei in der Speichereinrichtung Daten von Referenzläufen bei unterschiedlichen Bedingungen und Drehzahlen gespeichert sind.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Sensoren in drei Ebenen verteilt sind, wobei sich eine erste Ebene im Bereich der Vorderkante der Schaufeln, eine zweite Ebene im Bereich der Schaufelmitten und eine dritte Ebene im Bereich der Hinterkante der Schaufeln befindet.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die bei der Erfassung eine Absolutmessung durchgeführt wird, bei der jeweils eine der Ausgaben der Sensoren in einer der drei Ebenen als Nullpunkt für die Sensoren der anderen beiden Ebenen dient.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Sensoren als kapazitive, magnetische, Wirbelstrom- oder Mikrowellensensoren ausgebildet sind.
PCT/DE2009/001599 2008-11-15 2009-11-10 Verfahren und vorrichtung zur risserkennung an verdichterlaufschaufeln Ceased WO2010054644A2 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102478396A (zh) * 2010-11-30 2012-05-30 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 一种整体叶盘叶片的形位尺寸测量方法及工具

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120126794A1 (en) * 2010-11-22 2012-05-24 Raymond Jensen Sensor Assembly And Methods Of Assembling A Sensor Probe
US20130082833A1 (en) * 2011-09-30 2013-04-04 General Electric Company System and method for monitoring health of airfoils
US8687206B2 (en) 2012-05-29 2014-04-01 United Technologies Corporation Optical detection of airfoil axial position with NSMS
US20140007591A1 (en) 2012-07-03 2014-01-09 Alexander I. Khibnik Advanced tip-timing measurement blade mode identification
US9739167B2 (en) * 2012-07-25 2017-08-22 Siemens Energy, Inc. Method and system for monitoring rotating blade health
US12553359B1 (en) 2012-07-25 2026-02-17 Blade Diagnostics Corporation Integrally bladed disk life cycle management utilizing vibratory DNA
EP2728128A1 (de) * 2012-10-31 2014-05-07 Siemens Aktiengesellschaft Messverfahren zur Schadenserkennung an einer Turbinenschaufel und Turbine
US9719366B2 (en) * 2013-06-12 2017-08-01 General Electric Company Methods and systems for blade health monitoring
US9657588B2 (en) 2013-12-26 2017-05-23 General Electric Company Methods and systems to monitor health of rotor blades
US20150184533A1 (en) * 2013-12-26 2015-07-02 General Electric Company Methods and systems to monitor health of rotor blades
CN104181224A (zh) * 2014-05-06 2014-12-03 北京理工大学 发动机涡轮叶片缺陷acfm检测激励台
CN107479577A (zh) * 2014-08-06 2017-12-15 芜湖水泵制造有限公司 一种发动机震动实验的中心校准装置的使用方法
CN105987809A (zh) * 2015-02-10 2016-10-05 沈阳透平机械股份有限公司 基于随机共振的离心式压缩机半开式叶轮裂纹检测方法
CN114746625B (zh) * 2019-12-05 2024-02-20 西门子能源美国公司 用于识别裂纹的涡轮叶片健康监测系统
CN111174903B (zh) * 2019-12-31 2021-10-01 北京化工大学 一种透平机械故障的诊断方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1063697A (en) 1909-04-22 1913-06-03 John W Kendrick Machine for making plugs for railway-ties.
US3502967A (en) 1968-05-27 1970-03-24 Iit Res Inst System for detecting twist and bend in turbine blades
US20030060986A1 (en) 1999-08-02 2003-03-27 Flotow Andreas Von Apparatus and method for predicting failures of spinning disks in turbo-machinery
EP1754861A2 (de) 2005-08-16 2007-02-21 United Technologies Corporation Systeme sowie Verfahren zur Überwachung einer Turbomaschine

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3467358A (en) * 1968-01-08 1969-09-16 Igor Evgenievich Zablotsky Vibrator indicator for turboengine rotor blading
US4951500A (en) * 1989-07-26 1990-08-28 Westinghouse Electric Corp. Method for determining the untwist of turbine blades
US6505143B1 (en) * 2000-01-20 2003-01-07 General Electric Company Machine protection system for rotating equipment and method
US7424823B2 (en) * 2004-10-19 2008-09-16 Techno-Sciences, Inc. Method of determining the operating status of a turbine engine utilizing an analytic representation of sensor data
US7323868B2 (en) * 2005-09-21 2008-01-29 General Dynamics Advanced Information Systems, Inc. System and method for temperature independent measurement of standoff distance using an eddy current sensor
US7432505B2 (en) * 2006-05-04 2008-10-07 Siemens Power Generation, Inc. Infrared-based method and apparatus for online detection of cracks in steam turbine components
US7824147B2 (en) * 2006-05-16 2010-11-02 United Technologies Corporation Airfoil prognosis for turbine engines
DE102006060650A1 (de) * 2006-12-21 2008-06-26 Mtu Aero Engines Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Schaufelschwingungsmessung
US7962265B2 (en) * 2007-11-28 2011-06-14 Honeywell International Inc. Vehicular linear sensor system
US7941281B2 (en) * 2008-12-22 2011-05-10 General Electric Company System and method for rotor blade health monitoring

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1063697A (en) 1909-04-22 1913-06-03 John W Kendrick Machine for making plugs for railway-ties.
US3502967A (en) 1968-05-27 1970-03-24 Iit Res Inst System for detecting twist and bend in turbine blades
US20030060986A1 (en) 1999-08-02 2003-03-27 Flotow Andreas Von Apparatus and method for predicting failures of spinning disks in turbo-machinery
EP1754861A2 (de) 2005-08-16 2007-02-21 United Technologies Corporation Systeme sowie Verfahren zur Überwachung einer Turbomaschine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102478396A (zh) * 2010-11-30 2012-05-30 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 一种整体叶盘叶片的形位尺寸测量方法及工具

Also Published As

Publication number Publication date
EP2294287A2 (de) 2011-03-16
US20110213569A1 (en) 2011-09-01
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CA2740101A1 (en) 2010-05-20
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DE102008057556A1 (de) 2010-05-20

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