Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle. Turbinen: Vermessen von Wasserturbinen

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1 Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle Turbinen: Vermessen von Wasserturbinen Messsysteme: ATOS, TRITOP Keywords: Kaplan, Francis, Pelton, Winkelmessung In mehreren Wasserkraftwerken wurden bisher erfolgreich Turbinen dreidimensional erfasst, um z.b. deren Zustand und Leistungsfähigkeit zu bewerten, die Form zu überprüfen oder eine Erneuerung oder Kopie vorzubereiten. ATOS und TRITOP ermöglichen die hochgenaue Vermessung auch großer komplexer Bauteile wie Wasserturbinen. Mit einem derart detaillierten 3D-Modell lassen sich kleinste Abweichungen von der idealen Rotorgeometrie feststellen. GOM mbh Mittelweg Braunschweig Deutschland Phone Fax info@gom.com GOM International AG Bremgarterstrasse 89B 8967 Widen Schweiz Phone Fax international@gom.com GOM France SAS 10 Quai de la Borde - Bât A Ris Orangis Frankreich Phone Fax info-france@gom.com GOM UK Ltd Business Innovation Centre Coventry, CV3 2TX Großbritannien Phone Fax info-uk@gom.com GOM Branch Benelux Interleuvenlaan 15 E 3001 Leuven Belgien Phone Fax info-benelux@gom.com Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

2 Qualitätskontrolle / Turbinen Vermessen von Wasserturbinen Messsysteme: ATOS, TRITOP Keywords: Kaplan, Francis, Pelton, Winkelmessung Die kroatische Firma TOPOMATIKA, die diesen Bericht erstellt hat, arbeitet sehr erfolgreich mit dem Kroatischen Institut für Bauingenieurwesen und mit der Kroatischen Energieversorgungsindustrie zusammen. In mehreren Wasserkraftwerken wurden bisher erfolgreich Turbinen dreidimensional mit dem optischen 3D-Digitalisiersystem ATOS erfasst, um z.b. deren Zustand und Leistungsfähigkeit zu bewerten, die Form zu überprüfen oder eine Erneuerung oder Kopie vorzubereiten. Das optische 3D-Digitalisiersystem ATOS erlaubt die genaue und detaillierte Erfassung der Form sowohl einfacher, als auch komplexer Objekte. Zusammen mit dem Photogrammetriesystem TRITOP können zum Beispiel Objekte von Düsenantrieben bis hin zu ganzen Flugzeugen schnell und genau digitalisiert werden. Beide Messsysteme lassen sich leicht transportieren, sodass das 3D-Digitalisieren an Ort und Stelle (z.b. in Kraftwerken, Werkstätten etc.) erfolgen kann. Mit dem ATOS System ist es nicht länger nötig, das Messobjekt in ein Messlabor zu transportieren. Abb. 1: Die beiden Messsysteme ATOS und TRITOP werden durch eine kleine Öffnung in die Turbine eines Wasserkraftwerks hineingereicht. Das Turbinenlaufrad kann so in eingebautem Zustand vermessen und beurteilt werden. 3D-Erfassung des Rotors einer Peltonturbine Peltonturbinen werden in Wasserkraftwerken mit hohem Wasserdruck und geringer Wassermenge eingesetzt (Abb. 2). Diese Wasserturbinen laufen mit hoher Geschwindigkeit, weshalb die Rotorgeometrie und ein gleichmäßiger Lauf von großer Bedeutung sind. Das Erfassen des Rotors für die 3D-Messung beginnt mit photogrammetrischen Aufnahmen (TRITOP) mit einer professionellen Digitalkamera (Abb. 3). Die TRITOP Software verarbeitet dann diese Bilder und berechnet daraus die exakte Position der auf den Rotor und die Schaufeln aufgeklebten Referenzpunkte. Das ATOS-System projiziert dichte Streifenmuster auf die Oberfläche des Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

3 Abb. 2: Rotor einer Peltonturbine Abb. 3: Photogrammetrieaufnahmen Messobjektes. Die projezierten Muster werden mit Hilfe von zwei kalibrierten und in Stereoanordnung montierten Digitalkameras erfasst, weiterverarbeitet und ergeben die Digitalisierdaten (Punktewolke) für diesen Objektbereich. Während des Digitalisierungsprozesses werden auch die im Messbereich sichtbaren Referenzmarken exakt vermessen. Basierend auf den erfassten Referenzmarken werden die Scandaten automatisch in das Netz der vordefinierten Referenzpunkte (Objektkoordinatensystem) eingeschwenkt. Abhängig vom eingesetzten ATOS System dauert ein Scanvorgang etwa 1 bis 7 Sekunden und erzeugt, je nach ATOS System, bis zu vier Millionen 3D-Messpunkte. Dadurch kann die Form des gescannten Schaufelsegments sehr präzise bestimmt werden. Der Scanvorgang wird so oft wiederholt, bis die Turbinenschaufeln von allen Seiten erfasst sind. Das gemeinsame Koordinatensystem der einzelnen Scans wird durch die TRITOP Messung definiert, kann aber jederzeit den aktuellen Anforderungen angepasst werden. Abb. 4 zeigt die 3D-Messdaten der Rotor-Digitalisierung. Die resultierenden Daten bestehen aus Millionen von 3D-Punkten, die die Form jeder Schaufel detailliert beschreiben. Die Auflösung (Punktdichte) für derartige Messaufgaben ist üblicherweise etwa 0,3 mm. Falls erforderlich kann ATOS jedoch leicht so eingestellt werden, dass eine höhere Auflösung oder ein größerer Messbereich erreicht wird. Abb. 4: 3D-Scanergebnis des Rotors einer Peltonturbine, erstellt mit Hilfe von ATOS und TRITOP Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

4 Mit einem derart detaillierten 3D-Modell lassen sich kleinste Abweichungen von der idealen Rotorgeometrie feststellen. Die gescannten Daten der Turbinenschaufeln lassen sich mit dem CAD-Modell (falls vorhanden), den Daten anderer Schaufeln oder den gespiegelten Daten der gleichen Schaufel (zur Symmetriekontrolle) vergleichen (Abb. 5). Die Formabweichungen werden mit verschiedenen Farben dargestellt, die der Skala am rechten Bildrand entsprechen. Die Bereiche, in denen die Form der Turbinenschaufeln bis zu 2 mm abweicht, sind deutlich sichtbar (rot und blau). Das Ergebnis lässt sich auch mit weniger Messpunkten (ausgedünnter Datensatz) oder als Schnittdaten darstellen und exportieren, sodass die Messdaten je nach Aufgabenstellung auch in wenig leistungsfähige CAD-Systeme eingelesen werden können (Abb. 6). Abb. 5: Abweichung der Form zweier Schaufeln Abb. 6: Segment des Turbinen-Rotors, dargestellt als ausgedünnter Datensatz 3D-Erfassung des Rotors einer Francisturbine Francisturbinen sind in Wasserkraftwerken weit verbreitet (Abb. 7). Sie werden für mittleren Wasserdruck (Fallhöhe) und Wassermengen eingesetzt und zeichnen sich durch ihre große Effizienz in verschiedenen Betriebszuständen aus. Die Schaufeln der Francisturbine sind stark gekrümmt und recht dicht eingebaut. Sie werden am Ende des Produktionsprozesses manuell geschliffen und poliert. Die Wasserzufuhrkanäle sind nur sehr schwer zugänglich. Deshalb sind diese Turbinen aufwändig und teuer in der Herstellung und es ist sehr schwierig und zeitraubend, die Form der Schaufeln mit klassischen Messmethoden zu erfassen und zu bewerten. Der Rotor der Francisturbine wurde mit ATOS und TRITOP in der gleichen Weise dreidimensional erfasst wie bei der Peltonturbine. Das Ergebnis ist ein gescanntes 3D-Modell mit Millionen von Messpunkten. Wo herkömmliche Messverfahren wegen Unzugänglichkeit nur schwer eingesetzt werden können, kann mit ATOS die komplette Oberfläche der Schaufeln effizient und genau dreidimensional vermessen werden, wie in Abbildung 9 und 10 dargestellt. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

5 Abb. 7: Rotor der Turbine mit Abtriebswelle Abb. 8: Vorbereitung des Rotors für 3D-Erfassung Abb. 9: 3D-Scan des Rotors der Francisturbine Abb. 10: Darstellung einer einzelnen Turbinenschaufel, Ausschnitt der erfassten Daten des ganzen Rotors Durch das 3D-Scannen können z.b. die Form des Rotors kontrolliert, die für eine Rekonstruktion der Turbine notwendigen Abmessungen bewertet, ein Ersatzrotor oder kleinere Kopien für Testzwecke gefertigt, ein CAD-Modell erstellt werden und vieles mehr. Falls erforderlich, lässt sich die Form mit reduzierter Punktezahl (Abb. 11) oder durch Parallelschnitte (Abb. 12) darstellen. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

6 Abb. 11: Modell (reduziert) Abb. 12: Parallelschnitte Prüfung der Geometrie einer Kaplan-Rohrturbine Zwei Kaplan-Rohrturbinen im Wasserkraftwerk Dubrava am Fluss Drava erzeugten im Betrieb schädliche zyklische Vibrationen. Diese Vibrationen sind besonders im Generator A1 zu spüren, während der Generator A2 deutlich ruhiger läuft. Um diesen Zustand zu verstehen und wenn möglich zu beheben, wird die Form und Position der Schaufeln beider Räder erfasst und bewertet (Abb. 13). Dazu ist es erforderlich, den genauen Abstand zu Nachbarschaufeln (die Winkellage), die Formtoleranz der Schaufeln sowie die Ausrichtung der Schaufel zur Nabe des Turbinenrotors zu bestimmen. Mit den GOM-Systemen ATOS und TRITOP wurde ein detailliertes 3D-Scannen der Schaufeln beider Rotoren in unterschiedlichen Positionen und Drehwinkeln durchgeführt. Die 3D-Scanergebnisse (Abb. 14) ermöglichen einen detaillierten Vergleich der Schaufelformen. Abb. 15 zeigt den Querschnitt der Vorderkante der vier Schaufeln des Rotors A1. Eine beträchtliche Abweichung ist besonders im Bereich A-A, an der Radnabe, zu erkennen. Durch Drehen des Rotors war es möglich, alle Schaufeln in derselben Position zu scannen und die Unregelmäßigkeiten der Montage der Schaufeln am Schaft zu bestimmen. Abb. 13: Vorbereitung Turbinenrad (Durchmesser 5,4 m) für die 3D-Erfassung Abb. 14: 3D-Scandaten der Schaufeln, mit ATOS und TRITOP erzeugt Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

7 Abb. 15: Schaufelform entlang des Schnitts im Bereich der Vorderkante Abb. 16: Oberflächenabweichung der ersten und vierten Schaufel des Generators A1, verursacht durch die Formunterschiede und Unregelmäßigkeiten der Montage am Schaft Schaufel Größte Abweichung zweier Schaufeln Generator A Generator A Tabelle 1: Unterschiede des Eingangswinkels (Steigung) der ersten Schaufel und der übrigen Schaufeln von Generatoren A1 und A2 Tabelle 1 zeigt die verschiedenen Werte der Schaufelwinkel der Generatoren A1 und A2. Die Schaufeln 3 und 4 des Generators A1 sind merklich mehr geschlossen als die Schaufeln 1 und 2 (negativer Winkel), während die Schaufeln 2 und 3 des Generators A2 geschlossener sind als die Schaufeln 1 und 4. Die Abweichung ist aber niemals größer als 0,08. Es ist deutlich, dass die größte Abweichung des Eingangswinkels der Schaufeln des Generators A1 fast dreimal so groß ist wie die größte Abweichung, die für Generator A2 gemessen wurde. Trotz der schwierigen Messbedingungen im Flusskanal der Turbine betrug die Zuverlässigkeit der Positionsbewertung ca. 0,1 mm und die der Winkelbewertung 0,01. Diese Werte wurden durch punktuelle Vergleichsmessungen mit konventionellen Messsystemen und mehrmaliges Scannen einer Schaufel verifiziert. Wir bedanken uns bei TOPOMATIKA für die interessante Arbeit und bei der IGH und HEP für ihr Vertrauen in unsere Messtechnik und die langjährige und gute Zusammenarbeit. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)