Spaltweitenmessungen an einem transsonischen Radialverdichter mit dem Laser-Doppler-Profilsensor

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1 Fachtagung Lasermethoden in der Strömugsmeßtechnik September 2006, Braunschweig Spaltweitenmessungen an einem transsonischen Radialverdichter mit dem Laser-Doppler-Profilsensor Lars Büttner 1, Thorsten Pfister 1, Jürgen Czarske 1, Hartmut Krain 2, Richard Schodl 2 1 Technische Universität Dresden, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Professur für Meß- und Prüftechnik Helmholtzstraße 18, Dresden Lars.Buettner@tu-dresden.de 2 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Antriebstechnik Linder Höhe, Köln Kurzfassung Der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor zur Messung einer lateralen Geschwindigkeitskomponente und einer aialen Position kann prinzipbedingt auch zur Positionsvermessung von bewegten Festkörperoberflächen eingesetzt werden. In diesem Beitrag wird darüber berichtet, wie der Sensor erstmalig zur in-situ Vermessung der Spaltbreite an einem transonischen Radialverdichter eingesetzt wurde. Die Messungen konzentrierten sich auf die Auslegungsdrehzahl von min -1, was einer Umfangsgeschwindigkeit an der Meßstelle von 586 m/s und einer Schaufelfrequenz von ca. 21 khz entspricht. Die Spaltweite wurde hier bei verschiedenen Massendurchflüssen gemessen. Die Ergebnisse stehen nicht nur in hervorragender Übereinstimmung mit den Vergleichsdaten kapazitiver Sensoren, sondern weisen mit ca. 20 µm auch eine deutlich höhere Meßauflösung auf. Durch die zeitlich hochaufgelöste Messung konnten zudem aiale Schwingungen des Rotors nachgewiesen werden. 1. Einleitung Bei Turbomaschinen stellt die Spaltweite zwischen den rotierenden Schaufeln und dem Gehäuse eine wichtige Größe dar, da sie unerwünschte Sekundärströmungen verursacht und deshalb den Wirkungsgrad unmittelbar beeinflußt. Aufgrund mechanischer Belastungen durch Druck-, Temperatur- und Fliehkräfte ändert sich die Spaltweite während des Betriebes. Hier muß sichergestellt werden, daß die Schaufeln unter keinen Umständen das Gehäuse berühren. Für einen optimierten und sicheren Betrieb ist daher eine online-kontrolle während des Betriebes unerläßlich. Für die zur Zeit entwickelten Active-Clearance-Control (ACC)- Systeme werden eine Meßauflösung von 25 µm und eine Meßrate bis zu 50 khz als Anforderungen genannt [1]. Im industriellen Gebrauch werden üblicherweise kapazitive oder induktive Sensoren eingesetzt, die jedoch mit ca µm nur über eine mäßige Meßauflösung verfügen und eine auf die Form der Schaufeln bezogene Kalibrierung erfordern. Darüber hinaus können diese Sensoren bei modernen Turbomaschinenschaufeln, die aus Kunststoff oder Keramik gefertigt sind, nicht eingesetzt werden. Für diese Aufgabenstellung bieten sich optische Sensoren an, die zwar eine streuende Oberfläche erfordern, aber prinzipiell unabhängig von der Art der Schaufeln messen können.

2 Als optische Meßverfaren wurden bisher Triangulation [2], optische Kohärenztomographie (Optical Coherence Tomography, OCT) [3] und Laufzeitverfahren [4] eingesetzt. Die zeitliche Auflösung wird jedoch entweder durch die mechanische Scanrate (bei OCT) oder durch die minimale Belichtungs- und Auslesezeit (bei Triangulation) stark begrenzt. In diesem Beitrag wird der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor als ein leistungsfähiges Verfahren zur Spaltweitenmessung bei Turbinen mit hoher Meßauflösung und Meßrate vorgestellt. Da bei dem Sensor die Positionsmessung auf eine Geschwindigkeitsmessung zurückgeführt wird, ist der Meßeffekt prinzipiell unabhängig von der Geschwindigkeit, so daß sich Abstandsmessungen auch an sehr schnell bewegten Festkörperoberflächen durchführen lassen. 2. Der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor Das Sensorprinzip basiert auf dem bekannten Verfahren der Laser-Doppler-Anemometrie, jedoch werden bei dem Profilsensor zweier überlagerter, fächerförmiger, physikalisch unterscheidbare Interferenzstreifensysteme verwendet, siehe Abb. (1). Dadurch wird es möglich, nicht nur die laterale Geschwindigkeitskomponente, sondern zusätzlich auch die aiale Position eines Streuobjekts innerhalb des Interferenzstreifensystems mit Mikrometer-Genauigkeit zu bestimmen [5]. Der Sensor wurde im Rahmen dieser Tagung für Strömungsmessungen bereits mehrfach vorgestellt [6], jedoch ist er prinzipbedingt auch für sehr schnelle Abstandsmessungen zu bewegten Objekten geeignet [7]. Abb. (1): Überlagerte fächerförmige Streifensysteme, die das Meßvolumen des Laser-Doppler- Geschwindigkeitsprofilsensors bilden. Die Interferenzstreifensysteme werden über den aialen Verlauf ihrer Streifenabstände d 1,2 (z) beschrieben. Objekte, die sich durch die Streifensysteme bewegen streuen Licht mit den Dopplerfrequenzen f 1,2 (z). Im vorliegenden Fall der Turbinenspaltweitenmessung stellen die rauhen Oberflächen der Schaufelspitzen die Streuobjekte dar. Die Funktion f 2 (v, z) v / d 2 ( z) q ( z) = = = f (v, z) v / d ( z) 1 1 d1( z) d ( z) 2 ist unabhängig von der Geschwindigkeit, jedoch abhängig von der aialen Position, so daß sich die Position der Schaufelspitze dadurch bestimmen läßt. Die Geschwindigkeit kann über v =f 1 d 1 =f 2 d 2 erhalten werden. Für die Spaltweitenmessungen wurde der Profilsensor mit Faserkopplung nach dem Konzept der Verwendung einer diffraktiven Linse realisiert, das auf der GALA 2004 ebenfalls vorgestellt wurde [8] und in [9] detailliert beschrieben ist. Der Aufbau unterteilt sich in drei Baugruppen, siehe Abb. (2): Die erste dient zur Lichterzeugung und enthält zwei fasergekoppelte Laserdioden von 660 nm und 830 nm Wellenlänge, deren Strahlungen mittels eines Singlemode-Faserkopplers in einer Faser vereinigt werden. Ein 25 m langes Faser-Patch-Kabel führt das Licht zum eigentlichen optischen Meßkopf. Dieser wurde auf einer wassergekühlten Bodenplatte aufgebaut und ist zum Schutz der Optik vor Verschmutzung und thermischer Strahlung mit einer Blechabdeckung versehen. Der Aufbau wurde bewußt kompakt und robust gewählt, um in den rauhen Betriebsbedingungen des Verdichterprüfstandes (Vibrationen, hohe Temperaturen) zu bestehen. Der Außenabmessungen des Meßkopfes betrugen

3 mm 3 und der Arbeitsabstand, d.h. die Entfernung von Meßvolumen zum Rand des Meßkopfes, ca. 100 mm. Das Streulicht wurde in Rückwärtsrichtung detektiert und über einen Umlenkspiegel in eine Multimode-Faser von ebenfalls 25 m Länge eingekoppelt. Diese führte das Licht zur dritten Baugruppe, der Detektionseinheit. In dieser wurde das Licht mittels eines dichroitischen Spiegels nach Wellenlängen getrennt und auf zwei Avalanche- Photodetektoren gegeben. Die Detektorsignale wurden mittels einer A/D-Wandlerkarte in einen Standard-PC eingelesen und dort mit einem Matlab-Programm ausgewertet. Die Datenerfassungskarte konnte pro Kanal 16 MSamples bei einer Samplingrate von 200 MHz aufnehmen, so daß je nach Drehzahl des Verdichters bis zu 100 Umdrehungen komplett aufgezeichnet werden konnten. Das Datenverarbeitungsprogramm identifizierte mit Hilfe eines eternen Triggers die Schaufeln, so daß die Spaltweise jeder Schaufel einzelnen ausgewertet werden konnte. Zur Verbesserung der Statistik konnte über alle oder über ausgesuchte Schaufeln gemittelt werden. Abb. (2): Der eperimentelle Aufbau unterteilt sich in drei Einheiten: Einen zur Zweiwellenlängen- Lichterzeugung und Fasereinkopplung, den eigentlichen optischen Meßkopf und die Detektionseinheit [10,11]. 3. Adaption des Sensors an den transsonischen Radialverdichter Die Eperimente wurden an einem transsonischen Radialverdichter des DLR durchgeführt. Der Sensor wurde dabei starr mit dem Verdichtergehäuse verbunden und die LDA-Strahlen durch ein schlüssellochgroßes Fenster, das bündig mit der inneren Kontur des Verdichtergehäuses abschloß, auf den äußersten Teil des Rotors gerichtet. Der Rotor hatte einen Radius von 112 mm und war mit 26 Schaufeln von je 1,7 mm Breite ausgestattet. Das Streuvermögen der Schaufeln war ausreichend, so daß keine spezielle Behandlung der Oberflächen notwendig war. Der Radialverdichter ist für eine maimale Drehzahl von min -1 ausgelegt. Bei dieser Drehzahl passieren die Schaufeln mit Hz die Meßstelle, die Umfangsgeschwindigkeit beträgt dann 586 m/s. Während des Betriebes konnte die Verdichtertemperatur auf bis zu 280 C anwachsen, was die Wasserkühlung des Meßkopfes erforderlich machte. Das Lichtquellenmodul, die Detektionseinheit und der PC wurden im benachbarten Kontrollraum untergebracht, was durch die Anbindung des Meßkopfes über die 25 m langen Fasern ermöglicht wurde. Zum Vergleich der Messungen konnten die Daten eines kapazitiven Spaltweitensensors herangezogen werden, der sich an derselben Radialposition wie die

4 Meßstelle des Profilsensors befand. Die Meßunsicherheit des kapazitiven Sensors wurde mit ±50 µm abgeschätzt. Abb. (3): Foto des an den Radialverdichter montierten Sensors [11]. 4. Ergebnisse der Spaltweitenmessungen Spaltweitenmessungen wurden unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Radialverdichters durchgeführt. Die gemessenen Spaltweiten beim Hochfahren des Verdichters zeigten dieselbe Tendenz wie die Daten des kapazitiven Sensors, jedoch zeigten sich aufgrund der thermischen Ausdehnung des Halters des Profilsensors bei steigenden Drehzahlen und Temperaturen systematische Abweichungen [11]. Bei zukünftigen Messungen kann dieses durch eine anders konstruierte oder ebenfalls gekühlte Halterung vermieden werden. Der Sensor selbst zeigte aufgrund der Wasserkühlung keinen Temperaturanstieg. Um Messungen unabhängig von thermischen Einflüssen durchzuführen, wurde hier eine konstante Drehzahl von min -1 gewählt und gewartet, bis sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hatte. Durch Änderung der Drosselstellung konnte der effektive Massendurchfluß und damit die Spaltweite variiert werden. Abb. (4): Mit dem Laser- Doppler-Profilsensor gemessene Spaltweite bei maimaler Drehzahl von min -1 und verschiedenen eff. Massendurchsätzen in Abhängigkeit von der Messung mit dem kapazitiven Sensor. Ebenfalls eingezeichnet sind die Meßunsicherheiten, für den kapazitiven Sensor als Unsicherheitsband [10,11].

5 Abb. (4) zeigt die Ergebnisse der Spaltweitenmessungen beim Schließen der Drossel. Dargestellt ist die mit dem Profilsensor gemessene Spaltweite in Abhängigkeit von der mit dem kapazitiven Sensor gemessenen Spaltweite. Da der Profilsensor zunächst nur Verschiebungen mißt, wurde an die Meßkurve ein konstanter Wert derart addiert, daß bei minimaler Spaltweite der Wert mit dem des kapazitiven Sensors übereinstimmte. Durch eine geeignete Kalibration des Sensors kann für zukünftige Messungen die Position auch absolut gemessen werden. Die Ergebnisse stehen in hervorragender Übereinstimmung mit den Daten des kapazitiven Sensors. Die mittlere Meßunsicherheit betrug ca. 20 µm und ist damit deutlich geringer als diejenige anderer Spaltweitensensoren. Durch eine verbesserte Auslegung des Sensors erscheint eine weitere Reduzierung der Meßunsicherheit als realistisch. Bei den Spaltweitenmessungen zeigte sich, daß bei hohen Drehzahlen (> min -1 ) eine deutlich höhere Standardabweichung der Spaltweite auftrat als bei niedrigen Drehzahlen. Durch die hohe Zeitauflösung des Meßsystems war es möglich, eine Zeitreihenanalyse der Spaltweite durchzuführen. Hierbei stellte sich heraus, daß die erhöhte Standardabweichung auf eine periodische Schwankung der Spaltweite zurückzuführen war. Abb. (5) zeigt eine solche Zeitreihe für eine ausgewählte Schaufel für 78 Rotorumdrehungen, im Frequenzspektrum der Zeitreihe erscheint ein deutlicher Peak. Dieses deutet auf eine aiale Schwingung des Rotors mit 1/3 der Rotationsfrequenz und einer Amplitude von ca. 200 µm (peak-peak) hin. Detaillierte Beschreibungen zum Sensoraufbau und den durchgeführten Messungen sind in [10,11] zu finden. Blade position [µm] Revolution number 20 Spectrum [a.u.] Relative frequency f/f rot Abb. (5): Detektion von Rotorschwingungen bei min -1. Oben: Zeitreihe der gemessenen Spaltweite an einer ausgesuchten Schaufel. Deutlich ist eine periodische Schwankung zu erkennen. Unten: Im Frequenzbereich weist das Auftreten eines signifikanten Peaks auf eine Rotorschwingung von 1/3 der Rotationsfrequenz hin. 5. Zusammenfassung Der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor erlaubt es, die laterale Geschwindigkeitskomponente und die aiale Position eines Streuobjektes (z.b. Tracerteilchen in Strömungen oder bewegte Festkörperoberflächen) mit hoher Präzision zu bestimmen. Der Sensor bietet den herausragenden Vorteil, daß der Meßeffekt prinzipiell unabhängig von der Geschwindigkeit ist. Im Gegensatz zu anderen optischen Abstandsmeßverfahren wie Triangulation, Autofokus, Optische Kohärenztomographie, etc. können Abstandsmessungen daher an beliebig schnell bewegten Objekten durchgeführt werden. Als Anwendungsbeispiel wurde in diesem Beitrag der Laser-Doppler-Profilsensor als ein leistungsfähiges Verfahren zur in-situ Spaltweitenmessung an Turbomaschinen vorgestellt. Es wurde ein robuster, kompakter, rein passiver optischer Meßkopf mit Wasserkühlung und Faserkopplung realisiert und an das Gehäuse eines transsonischen Radialverdichters mon-

6 tiert. Die Spaltweitenmessungen konzentrierten sich auf die Auslegungsdrehzahl von min -1, bei der die Maschine am höchsten belastet ist. Die zugehörige Umfangsgeschwindigkeit an der Meßstelle beträgt dann 586 m/s und die Schaufelfrequenz 21 khz. Hier wurde die Spaltweite bei verschiedenen Massendurchflüssen gemessen. Die Meßergebnisse stehen nicht nur in hervorragender Übereinstimmung mit den Vergleichsdaten kapazitiver Sensoren, sondern weisen mit ca. 20 µm auch eine deutlich geringere Meßauflösung auf. Durch die zeitlich hochaufgelöste Messung konnten zudem aiale Schwingungen des Rotors mit 1/3 der Rotationsfrequenz und einer Amplitude von 200 µm (peak-peak) nachgewiesen werden. Für zukünftige Einsätze soll eine andere Halterung entwickelt werden, die unempfindlich gegenüber thermischer Epansion ist. Zudem kann durch eine verbesserte Auslegung des Sensors die Meßunsicherheit weiter verringert werden. Danksagung Die Autoren danken den Herren M. Beversdorff, H. Fischer und J. Schlappa für ihre Unterstützung bei der Durchführung der Messungen sowie P. Becker für die Justage und Kalibrierung des Sensors. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft wird für die finanzielle Unterstützung (FKZ: Cz 55/15-1) der Arbeiten gedankt. Literatur [1] S.B. Lattime, B.M. Steinetz, High-pressure-turbine clearance control systems: current practices and future directions, J. Propulsion Power 20, S , 2004 [2] J.P. Barranger, M.J. Ford, Laser-Optical Blade Tip Clearance Measurement System, J. Eng. Pow. 103, pp , 1981 [3] Kempe, S. Schlamp, T. Rösgen, K. Haffner, Low-coherence interferometric tip-clearance probe, Opt. Lett. 28, No. 15, pp , 2003 [4] H.S. Dhadwal, A.P. Kurkov, Dual-Laser Probe Measurement of Blade-Tip Clearance, J. Turbomach. 121, pp , 1999 [5] J. Czarske, L. Büttner, T. Razik, H. Müller, Boundary layer velocity measurements by a laser Doppler profile sensor with micrometre spatial resolution, Meas. Sci. Technol. 13, pp , 2002 [6] K. Shirai, L. Büttner, T. Pfister, J. Czarske, H. Müller, D. Dopheide, S. Becker, H. Lienhart, F. Durst, Universal Velocity Profile Measurement of a Turbulent Channel Flow with a Fiber-Optic Velocity-Profile-Sensor, 13. GALA-Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, S , September 2005, Cottbus [7] T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske, Laser Doppler profile sensor with sub-micrometre position resolution for velocity and absolute radius measurements of rotating objects, Meas. Sci. Technol. 16, pp , 2005 [8] L. Büttner, J. Czarske, Miniaturisierbarer Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor auf der Basis von diffraktiver Mikrooptik, 12. GALA-Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, S , Karlsruhe, Sept [9] L. Büttner, J. Czarske, H. Knuppertz, Laser Doppler velocity profile sensor with sub-micrometer spatial resolution that employs fiber-optics and a diffractive lens, Appl. Opt. 44, No. 12, pp , 2005 [10] L. Büttner, T. Pfister, J. Czarske, Fiber Optic Laser Doppler Turbine Tip Clearance Probe, Optics Letters Vol. 31, Nr. 9, S , 2006 [11] T. Pfister, L. Büttner, J.W. Czarske, H. Krain, R. Schodl, Turbo machine tip clearance and vibration measurements using a fibre optic laser Doppler position sensor, Meas. Sci. Technol. 17, S , 2006