Neuer Lasersensor ermöglicht so präzise Spalt- und Schwingungsmessungen bei Turbomaschinen wie noch nie

(PresseBox) (Dresden, ) Einer Kooperation zwischen der Technischen Universität Dresden und dem
Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist es jetzt gelungen,
sowohl die in der Turbinentechnik entscheidende Größe der Spaltweite
zwischen den rotierenden Schaufeln und dem Turbinengehäuse als auch die
Schwingungen, die bei den Umdrehungsgeschwindigkeiten der Schaufeln im
Überschallbereich entstehen, noch präziser als bisher zu messen. Dazu
haben Wissenschaftler um Prof. Jürgen Czarske, Professor für Mess- und
Prüftechnik an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der
TU Dresden, einen neuartigen Lasersensor entwickelt, welcher die
bekannten Vorteile der Lasertechnik benutzt, aber über Geschwindigkeiten
hinaus auch Positionen bestimmen kann.

Mechanische und thermische Einflüsse führen zu einer ständigen minimalen
Veränderung der Spaltweite im Mikrometerbereich, der jedoch für den
funktionierenden Betrieb der Turbomaschine fortwährend kontrolliert
werden muss und zudem wirtschaftliche Bedeutung besitzt. Eine so genau
und gering wie möglich eingestellte Spaltweite, die in der Regel bei
circa 0,5 mm liegt, kann bei dem hohen Energieverbrauch der
Turbomaschinen schließlich zu enormen Kosteneinsparungen führen.
Herkömmlich wird die Spaltweite durch so genannte kapazitive Messungen
bestimmt, die über elektrische Sensoren am Gehäuse erfolgen. Da diese
jedoch weniger genau und nur bei metallischen Stoffen anwendbar sind,
ist das neue Lasermessverfahren vor allem für die Flugzeugindustrie
interessant, die zunehmend auf Leichtbauweise setzt. So eignet sich der
neuartige Lasersensor auch bei Schaufeln aus Keramik und Kunststoff
(Faser-Verbundwerkstoff).

Die neue Technologie basiert auf dem bekannten Laser-Doppler-Verfahren,
wobei die TU-Wissenschaftler einen Sensor entwickelt haben, der mit der
elektronischen Signalverarbeitung von zwei Doppler-Frequenzen – statt
wie bisher üblich einer – für zwei Laserwellenlängen (rotes und
infrarotes Licht) die mathematische Errechnung der Spaltweite erlaubt.
Dabei werden zwei Laserwellenlängen über ein Glasfaserkabel an einen
Messkopf gesendet, der sich an der Außenwand der Turbine befindet. Von
dort gelangen die Laserstrahlen über ein Fenster an die Schaufeln, die
die Strahlen reflektieren. Die zurückgegebenen optischen Signale werden
schließlich in elektrische Signale umgewandelt und mit einem Computer
ausgewertet.

Der Modellversuch wurde an einer Turbine am Institut für Antriebstechnik
des DLR in Köln durchgeführt. Die Forscher entwickelten für das neue

Messprinzip einen optischen Messkopf, der so kompakt und robust ist,
dass er die durch die Umfangsgeschwindigkeit der Turbine im
Überschallbereich (586 m/s) bedingten Vibrationen unbeschadet übersteht.
Der Messkopf wurde eigens an der Professur für Mess- und Prüftechnik
gebaut und enthält ein integriertes Kühlsystem, sodass die Messungen
auch bei Temperaturen bis 300?C möglich sind. Während des Versuchs
passierten die Schaufelblätter 22.000 Mal pro Sekunde die Messstelle.
Der Spaltabstand konnte dabei auf 20 ?m genau bestimmt werden – ein
neuer Rekord! Bisher lag die Messunsicherheit bei 100 ?m.

Neben der Änderung des Spaltabstands war die messgenaue Detektion der
Schwingungen der Turbinenschaufeln für die Wissenschaftler ein
ungeplantes, aber willkommenes Ergebnis. Dies war möglich, da jeder
Schaufel ein genauer Messwert zugeordnet und somit eine zeitliche
Veränderung der Position gemessen werden konnte. Professor Czarske führt
den Erfolg der Forschungen auf die Synergieeffekte bei der
Zusammenarbeit von Elektrotechnikern, Maschinenbauern und Physikern in
seinem Team zurück.

Der bereits patentierte Lasersensor ermöglicht eine Online-Kontrolle der
Spaltweite zwischen den rotierenden Schaufeln und dem Gehäuse von
Turbomaschinen. Im Auftrag der Bosch GmbH wird er bereits bei der
Entwicklung eines Elektromotors eingesetzt. Einen wichtigen
Anwendungsbereich des Lasersensors stellen aber auch Werkzeugmaschinen
dar, z.B. Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen, sodass während der
Bearbeitung des Werkstücks sowohl Abtrag als auch absoluter Durchmesser
bestimmt werden können. Für weitergehende Forschungen – so soll der
Sensor weiter miniaturisiert und verfeinert werden, um schließlich in
Massenproduktion überzugehen – ist das Team um Prof. Czarske gegenwärtig
auf der Suche nach Industriepartnern.

Diese Pressemitteilungen könnten Sie auch interessieren

News abonnieren

Mit dem Aboservice der PresseBox, erhalten Sie tagesaktuell und zu einer gewünschten Zeit, relevante Presseinformationen aus Themengebieten, die für Sie interessant sind. Für die Zusendung der gewünschten Pressemeldungen, geben Sie bitte Ihre E-Mail-Adresse ein.

Es ist ein Fehler aufgetreten!

Vielen Dank! Sie erhalten in Kürze eine Bestätigungsemail.


Ich möchte die kostenlose Pressemail abonnieren und habe die Bedingungen hierzu gelesen und akzeptiert.