Anwendungsbeispiel: Qualitätskontrolle Turbinen: Vermessen von

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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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
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Abb. 14: 3D-Scandaten der Schaufeln,
mit ATOS und TRITOP erzeugt
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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
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Größte Abweichung
zweier Schaufeln
Generator A1
-0.06°
-0.21°
-0.17°
0.21°
Generator A2
-0.06°
-0.07°
+0.01°
0.08°
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.
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