DE102009009714A1

DE102009009714A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Drehmomentmessung an einer Turbinenwelle

Info

Publication number: DE102009009714A1
Application number: DE200910009714
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Stadlbauer; Michael Dr. Zielinski
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Ein Drehmoment wird an einer Turbine in einem Turbinentriebwerk mit einem Verdichter, einer Turbine, einer Turbinenwelle und einem Triebwerkgehäuse erfasst. Die Drehmomenterfassungsvorrichtung weist zumindest eine Anordnung zur berührungslosen Messung der integralen Verdrehung der Turbinenwelle und eine Einheit zur berührungslosen Messung der Rückstellkonstante der Turbinenwelle auf. Weiterhin weist die Anordnung eine Vielzahl von Sensoren auf, die eine Messung von Phasenlagen bzw. Durchlaufzeiten und gleichzeitig eine Abstands- bzw. Spaltmessung ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Drehmomentmessung an einer Turbinenwelle.
Turbinen werden beispielsweise in Flugzeugtriebwerken und als Industriegasturbinen eingesetzt. Beim Einsatz von Turbinen ist deren Wirkungsgrad eine wesentliche Kenngrösse und wird daher während der Entwicklung von Geräten, in denen die Turbine eingesetzt werden soll, mit hohem Aufwand unter Betriebsbedingungen ermittelt.
Der Wirkungsgrad z. B. der Niederdruckturbine eines Turbinentriebwerks wird daher während der Entwicklungsphase des Triebwerks ermittelt. Dafür sind im Stand der Technik mehrere Verfahren bekannt.
Ein erstes Verfahren basiert auf der Messung von Temperatur- und Druckabfall zwischen Eingangs- und Ausgangsebene der Niederdruckturbine (NDT). Zusammen mit weiteren Eingangsgrößen kann daraus der Wirkungsgrad bestimmt werden.
Im zweiten Verfahren wird der Druckabfall an der NDT sowie der Temperaturanstieg am Niederdruckverdichter (NDV) ermittelt. Damit wird zusammen mit dem Massenstrom durch das Kerntriebwerk eine Wirkungsgradbestimmung möglich, ohne Temperaturen an der NDT messen zu müssen.
Jedoch haben diese Verfahren den Nachteil, dass die zu messenden Temperaturdifferenzen zwischen den Messebenen mit großen relativen Unsicherheiten versehen sind. In der NDT liegen große Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung vor und der Temperaturanstieg am NDV kann re lativ gering sein, insbesondere wenn der NDV lediglich aus einem einstufigen Fan besteht.
Durch Messung des an der Niederdruckwelle anliegenden Drehmoments und damit der von der Welle übertragenen Leistung kann die Messung des Temperaturanstiegs am Fan ersetzt werden, so dass die Genauigkeit der Wirkungsgradbestimmung verbessert wird.
In der Druckschrift US 2006/0032319 A1 wird beispielsweise ein Verfahren zur Bestimmung des an der Niederdruckwelle anliegenden Drehmoments beschrieben. Es basiert darauf, dass die integrale Verdrehung von vorn durch die hohle Niederdruckwelle hindurch optisch erfasst wird. Dabei werden z. B. Gitter oder andere geeignete Strukturen im Bereich des NDV bzw. der NDT innerhalb der Welle angebracht und von außen durch die Welle hindurch mit einer Stroboskopkamera gemeinsam aufgenommen. Die integrale Torsion aufgrund des anliegenden Drehmoments ergibt sich dann durch Bildanalyse aus der Verdrehung der beiden Strukturen zueinander.
Zusammen mit der effektiven Rückstellkonstante der Welle kann damit das anliegende Drehmoment berechnet werden. Die Rückstellkonstante wiederum ergibt sich aus der Frequenz der Wellentorsionsschwingung, die von der gesuchten Rückstellkonstante und den Trägheitsmomenten des NDV, NDT und der Welle abhängt. Die Bestimmung der Trägheitsmomente erfolgt in dem Patent auf Basis der 3D-Modelle dieser Komponenten und einer theoretischen Temperaturverteilung.
Jedoch ist die Welle eines Triebwerks nicht immer durchgehend hohl. So werden z. B. verschiebbare Wuchtgewichte innerhalb der Welle platziert, um Biegeschwingungen zu unterdrücken. Für Triebwerke mit Getriebefan ist das Verfahren ebenfalls nicht anwendbar, da der Zugang zur Welle durch das Getriebe versperrt ist.
Außerdem ist die Hochdruckwelle von außen optisch nicht einsehbar, so dass o. a. Verfahren nicht eingesetzt werden kann, um das Drehmoment an der Hochdruckwelle zu messen.
Weiterhin sind die Trägheitsmomente von Verdichter, Turbine und Welle aus den 3D-Modellen nicht exakt genug bestimmbar, da sie Fertigungstoleranzen unterliegen.
Ebenso können Dämpfungseffekte bei der Wellentorsionsschwingung durch die mechanische Verformung der Welle und durch aerodynamische Reibungsverluste nicht vernachlässigt werden.
Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die eine verbesserte Drehmomentmessung an einer Turbinenwelle ermöglichen.
Diese Aufgabe ist durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Weitere Merkmale und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen gezeigt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Drehmoments an einer Turbinenwelle in einem Turbinentriebwerk mit einem Verdichter, einer Turbine, einer Turbinenwelle und einem Triebwerkgehäuse bereitgestellt, wobei die Vorrichtung zumindest eine Anordnung zur berührungslosen Messung der integralen Verdrehung der Turbinenwelle und eine Einheit zur berührungslosen Messung der Rückstellkonstante der Turbinenwelle aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anordnung eine Vielzahl von Sensoren aufweist, die Wechselsignale erzeugen, welche eine Messung von Phasenlagen und/oder Durchlaufzeiten ermöglichen, und deren Signalform gleichzeitig eine Abstands- und/oder Spaltmessung ermöglicht.
Vorzugsweise sind die Sensoren radial gegen zwei axial zueinander versetzte zahnkranzähnliche Strukturen im Bereich des Verdichters und der Turbine, die fest mit der Turbinenwelle verbunden sind, angeordnet.
Weiterhin sind vorzugsweise die Sensoren im feststehenden Gehäuse in zwei axial zueinander versetzten Messebenen montiert, wobei jede Messebene mindestens drei Sensoren aufweist.
Die Sensoren können am Umfang auf Höhe des Verdichters und der Turbine gleichmäßig verteilt angeordnet sein.
Vorzugsweise sind die Sensoren an stabilen Stellen des Triebwerkgehäuses angeordnet, an denen keine Verdrehung zwischen den beiden Sensorebenen durch thermische oder ähnliche Effekte zu erwarten ist.
Die Sensoren erzeugen Wechselsignale, deren Phasenlage linear mit der integralen Torsion der Welle unter Last verknüpft ist.
Weiterhin weist die Messeinheit zur Messung der Rückstellkonstanten eine Messeinrichtung zum Messen der Torsionsfrequenz der Torsionsschwingung der Welle auf.
Die Messeinheit zur Messung der Rückstellkonstanten kann eine Einheit zur rechnerischen Bestimmung des Trägheitsmomentes der Welle, des Verdichters und der Turbine umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung eines an einer Turbinenwelle anliegenden Drehmoments bereitgestellt, wobei zur Bestimmung des Drehmomentes die integrale Verdrehung der Turbinenwelle berührungslos gemessen wird und die Rückstellkonstante der Turbinenwelle gemessen wird, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Messungen mittels einer Vielzahl von Sensoren erfolgen, die Wechselsignale erzeugen, welche eine Messung von Phasenlagen und/oder Durchlaufzeiten ermöglichen, und deren Signalform gleichzeitig eine Abstands- und/oder Spaltmessung ermöglicht.
Das Verfahren weist vorzugsweise die Schritte des Bestimmens des Gesamtträgheitsmoments des Rotors, des Bestimmens eines Korrekturwerts auf Basis theoretischer Modelle, und die Berechnung der Trägheitsmomente der Turbinenwelle, des Verdichters und der Turbine aus den Messwerten der Sensoren und dem bestimmten Gesamtträgheitsmoment und dem bestimmten Korrekturwert auf.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der anhängenden Zeichnung beschrieben.
In 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Turbinenwelle gezeigt. Die veranschaulichte Turbinenwelle 10 weist einen Verdichter 20 und eine Turbine 30 auf. Der Verdichter 20 ist hierbei schematisch durch einen Fan und einen mehrstufigen Niederdruckverdichter angedeutet. Analog kann das Verfahren auch an der Hochdruckwelle eingesetzt werden.
Die integrale Verdrehung der Welle 10 wird mittels Sensoren 50, 51 gemessen, die am Gehäuse befestigt sind. Die Sensoren 50, 51 messen radial gegen zwei axial zueinander versetzte zahnkranzähnliche Strukturen 40, 41 im Bereich des Verdichters 20 bzw. der Turbine 30, die fest mit der Welle 10 verbunden sind. Dadurch werden in den Sensoren 50, 51 Wechselsignale erzeugt, deren relative Phasenlage linear mit der integralen Verdrehung der Welle 10 unter Last verknüpft ist.
Die Wellentorsionsschwingung wird ebenfalls mittels der Sensoren 50, 51 erfasst. Die Durchlaufzeiten der Zähne 40, 41 an den Sensoren schwanken bei Auftreten von Schwingungen, wobei die Schwankungen von der Schwingfrequenz sowie der Schwingamplitude abhängen.
Da die Trägheitsmomente aus den 3D-Modellen zu ungenau sind, werden sie gemessen.
Um den Einfluss der Dämpfungen ermitteln zu können, werden in den Frequenzspektren de Sensorsignale die Frequenzspitzen der Wellentorsionsschwingung am Verdichter 20 und der Turbine 30 gemeinsam mittels der bekannten Gleichung eines Zweimassen-Torsionsschwingers gefittet, woraus sich dann zusammen mit dem unabhängig davon gemessenen Gesamtträgheitsmoment des Rotors die Einzelträgheitsmomente und die effektive Rückstellkonstante der Welle 10 ergeben.
Um das an der Welle 10 anliegende Drehmoment berechnen zu können, müssen zwei Größen bestimmt werden, zum Einen die integrale statische Torsion der Welle 10 zwischen Verdichter 20 und Turbine 30 und zweitens die effektive Rückstellkonstante der Welle 10 bei laufendem Triebwerk.
Die Messung der statischen Torsion erfolgt mit Hilfe von mehreren Sensoren 50, 51, die im feststehenden Gehäuse in zwei axial zueinander versetzten Messebenen montiert sind. Sie messen radial gegen zahnkranzähnliche Strukturen im Bereich des Verdichters 20 bzw. der Turbine 30 auf der Welle 10, um Wechselsignale zu erzeugen, deren Phasenlage linear mit der integralen Torsion der Welle 10 unter Last verknüpft. ist.
Die radiale Ausrichtung der Sensoren 50, 51 ist wichtig, da in diesem Fall mittels Spaltmessungen der Einfluss der Radialposition der Welle 10 relativ zum Triebwerksgehäuse auf die Messung der statischen Torsion herausgerechnet werden kann. Hierzu wird ein Sensortyp verwendet, dessen Signalform bei jedem Durchlauf eines Zahns gleichzeitig auch die Messung des radialen Abstands zwischen Sensor und Zahn ermöglicht. Hierzu sind z. B. kapazitive aber auch induktive Sensoren geeignet.
Pro Messebene sind mindestens drei Sensoren 50, 51 erforderlich. Sie müssen an Stellen des Triebwerks befestigt werden, an denen keine Verdrehung der Messebenen durch thermische oder andere Effekte gegeneinander zu erwarten ist.
Um die effektive Rückstellkonstante zu messen, wird die Wellentorsionsschwingung ausgewertet, die ebenfalls mit den Sensoren 50, 51 erfasst wird.
Als mathematische Beschreibung dient der gedämpfte Zweimassen-Torsionsschwinger mit den Auslenkungen α₁(t) des Verdichters 20 und α₂(t) der Turbine 30, der effektiven Rückstellkonstante D, der mechanischen Wellendämpfung k, den Dämpfungen k₁ und k₂ im Verdichter 20 und in der Turbine 30 sowie den Trägheitsmomenten J₁ und J₂ der schwingenden Massen mit einer zeitlich veränderlichen Anregung M(t), mit der Schwingauslenkungen von Verdichter 20 und Turbine 30 sowohl für M(t) = 0 als auch für M(t) ≠ 0 dargestellt werden können.
Gleichung (1) liefert Ergebnisse nur bis auf einen konstanten aber beliebigen Faktor. Daher wird eine weitere unabhängige Messgröße benötigt. Hierfür eignet sich das Gesamtträgheitsmoment J = J₁ + J₂ der schwingenden Massen.
Sofern das Verfahren zur Drehmomentmessung an der Hochdruckseite eingesetzt werden soll, muss das Gesamtträgheitsmoment J des Hochdruckrotors im ausgebauten Zustand mit Hilfe einer Wuchtmaschine gemessen werden, da die Hochdruckwelle im zusammengebauten Triebwerk von außen nicht zugänglich ist. Soll das Drehmoment an der Niederdruckwelle bestimmt werden, so kann ein Verfahren eingesetzt werden, bei dem das Triebwerk nicht zerlegt werden muss. Dafür wird der im Triebwerk eingebaute Niederdruckrotor von außen am Spinner mit einem Elektromotor periodisch beschleunigt und wieder abgebremst. Zwischen Motor und Spinner ist eine Drehmomentmesswel le montiert, um während der Beschleunigung und des Abbremsens das Drehmoment M und die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit ω über der Zeit aufzunehmen. Aus dieser Messung erhält man nach der Gleichung J(iω .(t) + Kω(t) = M(t) (2)zunächst das Gesamtträgheitsmoment J_G = J₁ + J₂ + J_Δ des gesamten Rotors bei Rotation. J_Δ gibt hierbei den Unterschied im wirksamen Trägheitsmoment zwischen der Rotation des Rotors und der Torsionsschwingung zwischen Verdichter 20 und Turbine 30 an.
Im letzteren Fall trägt die Welle 10 nur teilweise zum Trägheitsmoment bei, da aufgrund der Torsion ein neutraler Punkt auf der Welle 10 existiert, von dem ausgehend die Schwingauslenkungen nach vorn und hinten kontinuierlich zunehmen. Diese Korrektur J_Δ kann ausreichend genau theoretisch abgeschätzt werden, da der hierdurch verursachte Fehler in J = J_G – J_Δ wegen des geringen Beitrags der Welle zum Gesamtträgheitsmoment klein ist.
Aus dem gleichen Grund kann auch die erforderliche Korrektur von JG bzgl. Fliehkraft und Temperaturdehnung auf Basis theoretischer Modelle erfolgen.
Die beim Beschleunigen und Abbremsen des Niederdruckrotors gleichermaßen auftretenden und in Gleichung (2) durch den Koeffizienten K beschriebenen bremsenden Kräfte können durch Vergleich der Messdaten beim Beschleunigen und Abbremsen des Rotors bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0032319 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen eines Drehmoments an einer Turbinenwelle in einem Turbinentriebwerk mit einem Verdichter, einer Turbine, einer Turbinenwelle und einem Triebwerkgehäuse, wobei die Vorrichtung zumindest eine Anordnung zur berührungslosen Messung der integralen Verdrehung der Turbinenwelle und eine Einheit zur berührungslosen Messung der Rückstellkonstante der Turbinenwelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Vielzahl von Sensoren aufweist, die Wechselsignale erzeugen, welche eine Messung von Phasenlagen und/oder Durchlaufzeiten ermöglichen, und deren Signalform gleichzeitig eine Abstands- und/oder Spaltmessung ermöglicht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren radial gegen zwei axial zueinander versetzte zahnkranzähnliche Strukturen im Bereich des Verdichters und der Turbine, die fest mit der Turbinenwelle verbunden sind, angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren im feststehenden Gehäuse in zwei axial zueinander versetzten Messebenen montiert sind, wobei jede Messebene mindestens drei Sensoren aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der Radialposition der Welle relativ zum Triebwerkgehäuse auf die Messung der statischen Torsion herausgerechnet werden kann mittels Spaltmessung zwischen den Sensoren und den Zähnen auch bei nicht-äquidistanter Umfangsanordnung der Sensoren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren an Stellen des Triebwerkgehäuses angeordnet sind, an denen keine Verdrehung der Messebenen zueinander zu erwarten ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren Wechselsignale erzeugen, deren Phasenlage linear mit der integralen Torsion der Welle unter Last verknüpft ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Sensoren kapazitive, induktive, auf Mikrowellen basierende Sensoren verwendet werden, oder andere Sensortypen, deren Signalform eine Abstands- bzw. Spaltmessung ermöglicht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit zur Messung der Rückstellkonstanten eine Messeinrichtung zum Messen der Torsionsfrequenz der Torsionsschwingung aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit zur Messung der Rückstellkonstanten eine Einheit zur rechnerischen Bestimmung des Trägheitsmomentes der Welle, des Verdichters und der Turbine umfasst.
Verfahren zur Bestimmung eines an einer Turbinewelle anliegenden Drehmoments, wobei zur Bestimmung des Drehmomentes die integrale Verdrehung der Turbinenwelle berührungslos gemessen wird und die Rückstellkonstante der Turbinenwelle berührungslos gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen mittels einer Vielzahl von Sensoren erfolgen, die Wechselsignale erzeugen, welche eine Messung von Phasenlagen und/oder Durchlaufzeiten ermöglichen, und deren Signalform gleichzeitig eine Abstands- und/oder Spaltmessung ermöglicht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, weiterhin mit den Schritten Bestimmen des Gesamtträgheitsmoments des Rotors, Bestimmen eines Korrekturwerts auf Basis theoretischer Modelle, und Berechnen des Trägheitsmoments der Welle, des Verdichters und der Turbine aus Messwerten der Sensoren und dem bestimmten Gesamtträgheitsmoment des Rotors und dem bestimmten Korrekturwert.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt wird.