Fokussierendes Radarverfahren im Millimeterwellenbereich zur Radialspaltmessung in Kraftwerksturbinen

Focusing millimeter wave radar for radial gap measurements in power plant combustion turbines

  • Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur ortsaufgelösten Radialspaltmessung in Kraftwerksturbinen durch ein autofokussierendes, abbildendes Radarverfahren im Millimeterwellenbereich entwickelt und experimentell verifiziert. Die Radialspaltmessung ist seit vielen Jahren Thema ingenieurtechnischer Untersuchungen, da eine zuverlässige, einfache Lösung aufgrund der gegebenen Randbedingungen nicht möglich erscheint. Hierzu zählen zum einen die widrigen Messbedingungen wie hohe Temperatur und Druck, korrosive Atmosphäre sowie hohe Bewegungsgeschwindigkeit. Andererseits stellt die geometrische Struktur der Laufschaufeln an ihren Blattenden ein Kernproblem für die Abstandsmessung dar. InsbesoIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur ortsaufgelösten Radialspaltmessung in Kraftwerksturbinen durch ein autofokussierendes, abbildendes Radarverfahren im Millimeterwellenbereich entwickelt und experimentell verifiziert. Die Radialspaltmessung ist seit vielen Jahren Thema ingenieurtechnischer Untersuchungen, da eine zuverlässige, einfache Lösung aufgrund der gegebenen Randbedingungen nicht möglich erscheint. Hierzu zählen zum einen die widrigen Messbedingungen wie hohe Temperatur und Druck, korrosive Atmosphäre sowie hohe Bewegungsgeschwindigkeit. Andererseits stellt die geometrische Struktur der Laufschaufeln an ihren Blattenden ein Kernproblem für die Abstandsmessung dar. Insbesondere die Anstreifkanten, die die Laufschaufel umranden, weisen nur eine sehr kleine Strukturbreite im Bereich von wenigen Millimetern auf. Viele etablierte Abstandssensoren wie z. B. kapazitive Sensoren können allein aufgrund ihrer großen Sensorfläche den Abstand der Anstreifkanten nicht unabhängig von anderen Strukturen am Blattende erfassen. Die Problematik der geringen Strukturgrößen wird durch die Wahl eines Radars mit synthetischer Apertur im Millimeterwellenbereich gelöst, mit Hilfe dessen Anstreifkanten örtlich aufgelöst werden können. Das Spaltmaß wird hierbei durch eine Reflexionsfaktormessung an der Blattspitze während der Bewegung, numerische Fokussierung mittels einer angepassten Filterung und eine Auswertung der Phase des Reflexionsfaktors nach dem bekannten CW-Verfahren bestimmt. Hierfür wurde ein Autofokus-Verfahren entwickelt, mit dem als ein erstes Ergebnis ein Schätzwert für den Radialspalt ermittelt wird, welcher anschließend zur Auflösung der Phasenmehrdeutigkeit und damit zur Messbereichserweiterung verwendet wird. Das Autofokus-Verfahren nutzt als Kostenfunktion und sensitives Qualitätskriterium für die Fokussierung den gewichteten Phasengradienten der Reflexion von einer Anstreifkante.show moreshow less
  • In this work a method for spatially resolved radial gap measurements in power plant combustion turbines by means of an autofocusing imaging radar technique in the millimeter wave range was developed and verified experimentally. The radial gap measurement has been subject of engineering studies for many years, as a reliable, simple solution does not seem to be possible due to the given boundary conditions. These include on the one hand the adverse measurement conditions such as high temperature and pressure, corrosive atmosphere and high speed of motion. On the other hand, the geometrical structure of the rotor blades at their tips turns out to be a key problem for the distance measurement. IIn this work a method for spatially resolved radial gap measurements in power plant combustion turbines by means of an autofocusing imaging radar technique in the millimeter wave range was developed and verified experimentally. The radial gap measurement has been subject of engineering studies for many years, as a reliable, simple solution does not seem to be possible due to the given boundary conditions. These include on the one hand the adverse measurement conditions such as high temperature and pressure, corrosive atmosphere and high speed of motion. On the other hand, the geometrical structure of the rotor blades at their tips turns out to be a key problem for the distance measurement. In particular, the blade tip is composed of small extended portions forming thin ribs of only a few millimeters width. Many established distance sensors like e. g. capacitive sensors cannot detect the correct tip clearance of the blade edge independently from other structures on the blade end only due to their large surface area and thus their lack of spatial resolution. The problem of small structure sizes is overcome by choosing a synthetic aperture radar (SAR) in the millimeter wave range capable of resolving the edges of a typical blade tip. The clearance is determined by measuring the reflection at the blade tip while passing by the antenna, subsequently focusing the data by means of a matched filter operation and interpreting the phase of the blade edge reflection according to the CW radar principle. For this, an autofocus approach was developed, which provides an estimate of the clearance as a first result, which is utilized to overcome the phase ambiguity and thus to increase the measurement range. The autofocus algorithm applies a weighted phase gradient of the point-like blade edge reflection as cost function and sensitive indicator for the focal quality.show moreshow less

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Metadaten
Author:Andreas Schicht
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-30250
Advisor:Lorenz-Peter Schmidt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/01/10
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/07/11
Release Date:2012/01/10
Tag:Anstreifkante; Autofokus; Radialspalt
autofocus; blade edge; tip clearance
SWD-Keyword:Abstandsmessung; Dauerstrichradar; Fokussierung; Gasturbine; Laufschaufel; Millimeterwelle; Signalangepasstes Filter; Synthetische Apertur
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 13581 $