Nowoczesny czujnik laserowy do turbin

Nowoczesny czujnik laserowy do turbin

Badacze z Uniwersytetu Technicznego z Drezna i Niemieckiego Centrum Lotnictwa zbudowali nowoczesny i dokładny czujnik laserowy mierzący dwie wielkości bardzo ważne w inżynierii turbin. Pierwsza to prześwit końcówek pomiędzy obracającymi się łopatkami, zaś druga to drgania pochodzące z ponaddźwiękowej prędkości pracujących łopatek.

Laser ten został opracowany przez profesora Jürgena Czarske’ego i grupę naukowców pod jego kierownictwem na Wydziale Metrologii niemieckiego uniwersytetu. Wynalazek wykorzystuje znane własności technologii laserowej, ale w udoskonalonej formie.

Z powodu warunków termicznych i mechanicznych prześwit pomiędzy końcówkami obracających się łopatek w turbinie stale się zmienia – są to odchylenia rzędu mikrometrów, jednak wielkość ta musi być stale kontrolowana. Co więcej wielkość prześwitu jest ważna także z ekonomicznego punktu widzenia, ponieważ znacząco wpływa ona na wielkość pobieranej energii.

Obecnie wielkość prześwitu między końcówkami łopatek jest określana tradycyjnymi metodami pomiarów pojemnościowych wykonywanymi dzięki czujnikom elektrycznym. Charakteryzują się one mniejszą dokładnością i mogą być stosowane tylko na metalu. Nowe czujniki laserowe są bardziej precyzyjne i mogą być stosowane także na materiałach syntetycznych i ceramice.

Naukowcy wykorzystali w swym wynalazku efekt Dopplera. Prześwit jest obliczany na drodze obliczeń matematycznych z dwóch różnych częstotliwości Dopplera po uprzednim elektronicznym przetworzeniu sygnału. Podczas procesu pomiaru, długości fal pochodzące z dwóch laserów są przesyłane do urządzenia obliczającego za pomocą kabla optycznego, który znajduje się na zewnętrznej ścianie turbiny. Wiązki laserów padają na łopatki turbin i dobijają się od nich. Otrzymane sygnały optyczne są przetwarzane na sygnały elektryczne i analizowane przez komputer.

Urządzenie obliczające jest wystarczająco małe i wytrzymałe, aby można je było umieścić na zewnętrznej ścianie turbiny, narażonej na drgania pochodzące z ponaddźwiękowej prędkości czynnika przepływającego pomiędzy łopatkami. Urządzenie to posiada zintegrowany system chłodzący, dzięki czemu pomiary mogą być dokonywane nawet w temperaturze 300 stopni Celsjusza. Krańcowy punkt pomiarowy prześwitu wynosi 22 000 obrotów na sekundę. Prześwit końcówek jest określany z dokładnością do 20 mikrometrów, co jest rekordem w tego typu pomiarach. Dotychczas dokładność ta wynosiła 50-100 mikrometrów.

Obecnie Czerske szuka potencjalnych partnerów przemysłowych, gotowych na dalsze prace nad czujnikiem i wdrożenie go do produkcji masowej.