DE3502278C2 - Vorrichtung zur Erfassung von Meßwerten in rotierenden Anordnungen - Google Patents
Vorrichtung zur Erfassung von Meßwerten in rotierenden AnordnungenInfo
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Abstract
Mehrkanalige Meßeinrichtung (insbesondere hochpräzise Druckmessung) für rotierende Systeme, insbesondere Strömungsmaschinen. Elektronische Meßwertübertragung mit einer Telemetrieeinrichtung. Messung und Meßstellenumschaltung (fernbedient) während schnellen Umlaufs rotierender Teile möglich. Mehrere verschiedenartige Meßwerte zugleich von Meßeinrichtung erfaßbar. Bevorzugte Ausführungen als leicht ein- und ausbaubare (steckbare) Einheit in Hohlwelle angeordnet. Schaltungsanordnung und Verwendung beschrieben.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.
- Wenn eine Reihe von Meßwerten, insbesondere Druckmeßwerten von rotierenden Anordnungen erfaßt werden, so müssen diese im allgemeinen, jedenfalls bei Strömungsmaschinen wie Gasturbinentriebwerken nach außen übertragen werden. Hierfür sind verschiedene Lösungsmöglichkeiten bekannt.
- Bei einer bekannten Lösung sind Druckleitungen und verschiedene Meßstellen mit für Druckmessungen geeigneten Sensoren einzeln (mittels O-Ring) abgedichtet der Welle zugeordnet.
- Jede Abdichtung mit O-Ringen hat jedoch den Nachteil, daß sie nur für niedrige Drehzahlen geeignet ist, insbesondere unter 6000 Umdrehungen pro Minute. Die O-Ringe verschleißen, die Standzeiten sind relativ kurz. Solche Konstruktionen machen auch ein frei zugängliches Wellenende erforderlich und Temperaturbeeinflussungen der Meßwerte sind nicht ausgeschlossen.
- Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, Meßsignale von mit der Rotorwelle mitrotierenden Drucksensoren über Schleifringe zu übertragen, nachteilig sind hier ebenfalls kurze Standzeiten, da die Schleifringe nicht verschleißfrei arbeiten. Ferner ist auch hier ein frei zugängliches Wellenende erforderlich.
- Aus der DE-OS 28 46 583 ist eine Vorrichtung zum Übertragen von Meßsignalen über einen opto-elektrischen Übertrager von einer Rotor- auf eine Statorseite bekannt. Dabei werden frequenzmodulierte Meßsignale übertragen. Um eine saubere Entkopplung der frequenzmodulierten Signale zu gewährleisten, müssen die Frequenzen von Meßsignal und Speisestrom, die über den gleichen Punkt übertragen werden, ausreichend weit auseinanderliegen. Die für die Frequenzmodulation und Übertragung nötigen Schaltungselemente, ihr Abstand und ihr Aufbau sind generell nicht unkritisch, für eine Gasturbine mit einem in deren Rotor auftretenden Temperaturen, wäre ein solcher Aufbau jedoch ungeeignet. Insbesondere die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsplatine auf der die Schaltungselemente verdrahtet sind, wären nicht anwendbar. Besonders deutlich ist jedoch dort zu erkennen, daß wesentliche Elemente nicht in einer Welle unterbringbar sind. Es ist auch nicht erkennbar, wie hierbei eine Druckmessung oder gar die Umschaltung mehrerer Meßstellen erfolgen könnte.
- Aus der US-PS 40 11 551 ist eine drahtlose Datenübertragungseinrichtung bekannt mit einer Anzahl rotierender Meßfühler. Die Daten der Meßfühler werden dort kapazitiv auf die Statorseite übertragen. Eine solche Übertragungsart ist leicht Störeinflüssen unterworfen.
- Eine Druckmessung mit pneumatisch/elektrischer Meßstellenumschaltung ist in der Schrift nicht erwähnt und es ist auch nicht erkennbar wie sie dort erfolgen könnte.
- Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung zu schaffen, bei der eine Anzahl von Meßwerten in einer rotierenden Welle erfaßt und nach außen zum feststehenden Teil übertragen werden soll, wobei besonders der Einsatzbereich der eingebauten Meßeinrichtung hinsichtlich Drehzahlen und Temperaturen erweitert werden soll.
- Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Wesentliche Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß der Drehzahlbereich, in dem derartige Messungen durchgeführt werden können, gegenüber bekannten Meßeinrichtungen wesentlich erhöht wurde. So wurden Einsatzdrehzahlen bis weit über 20 000 min-1 über längere Zeit gefahren. An den Druckmeßstellen besteht keine Temperaturobergrenze. Eine gesonderte Kühlung für die Welle ist nicht erforderlich.
- Die berührungslose telemetrische Signalübertragung hat den Vorteil, daß hierdurch die Standzeit der Anordnung nicht nachteilig beeinflußt wird, ebensowenig wie ihre Präzision.
- Die berührungslose Schaltluftübertragung zum pneumatischen Schrittmotor für den Meßstellenumschalter und die berührungslose Spannungsversorgung mittels induktiv gekoppelter Spulen ergibt ebenfalls keine Beeinträchtigung der Standzeit durch Verschleiß wie bei den bekannten Meßeinrichtungen.
- Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Meßanordnung als eine steckbare Einheit, die in einer Hohlwelle angeordnet ist. Bei Defekt oder Nacheichung von Komponenten kann die steckbare Anordnung leicht von einer Seite der Hohlwelle ein- und ausgebaut werden. Der Einbau und die Kalibrierung wird weiter erleichtert, dadurch daß an einem Ende eine Hohlwelle die Druckluftversorgung und an dem anderen Ende die Stromversorgung erfolgt. Weiterhin ist der Ein- und Ausbau dadurch erleichtert, daß die Meßvorrichtung axial bzw. ineinander steckbare Einzelkomponenten aufweist, wie Temperaturfühler, Drucksensor, deren Träger und Sender (Antenne) sowie Druckumschalter und Schrittmotor.
- Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels einschließlich Schaltungsanordnung sowie ihrer Verwendung.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt. Es zeigt
- Fig. 1 die Schaltungsanordnung der wesentlichen Komponenten der Erfindung,
- Fig. 2 der Aufbau der Meßanordnung, eingebaut in einen Träger,
- Fig. 3 den pneumatischen Schrittmotor, den Druckumschalter sowie die Halterung und Verbindungsteile,
- Fig. 4 die Komponenten gemäß Fig. 3, jedoch zusätzlich mit Telemetrieträger, Sendemodulen, Antenne und entsprechenden Halte- bzw. Verbindungsstellen,
- Fig. 5 die Komponenten der Meßanordnung zu einer steckbaren Einheit zusammengebaut,
- Fig. 6 die Meßeinheit und das Telemetriesystem eingebaut in eine Turbomaschine.
- Das Prinzip vorliegender Erfindung beruht auf einem mehrkanaligem Meßwerterfassungs-, Übertragungs- und Auswertungssystem mit einer berührungslosen Datenfernübertragung. Mehrere Druck-Meßstellen werden umgeschaltet (bei 2) von einem pneumatischen Antrieb, von außen beeinflußbar, insbesondere mit Meßstellenvorwahl über ein Steuergerät 20, das Pneumatikventile 19 betätigt. Diese wirken auf einen pneumatischen Schrittschaltmotor 4 ein, der mit einer Umschaltung für die Meßstellen verbunden ist (siehe Fig. 1). Wesentlich ist auch die steckbare Einheit pneumatischer Motor, Druckumschalter, Sensor und Sender (1-5 und 8-11), die auf einfachste Weise innerhalb einer Hohlwelle 16 untergebracht werden kann (siehe Fig. 2).
- Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist der Meßstellenumschalter 2 mit einem Drucksensor 3 verbunden und dieser mit einem Sendemodul 8, das seinerseits mit einer Sendeantenne 9 verbunden ist. Weiterhin ist ein Sendemodul 14 für Temperaturen zur Korrektur der Drucksignale vorgesehen. Die Ausgangssignale der Sendemodule werden über die eine Sendeantenne 9 übertragen. Die vorbeschriebenen Teile sind im Rotor 1 angeordnet (siehe Fig. 1, linke Hälfte).
- Wie Fig. 1 weiter zeigt (siehe rechte Hälfte), ist im Stator 31 eine Empfangsantenne 12, ein Empfänger 21, ein Demodulator 22 und ein Demultiplexer 24 miteinander verbunden. Der Demodulator 22 ist mit einer Meßwertanzeige 23 für Druck verbunden, während der Demultiplexer 24 mit einem Kanalumschalter 25 und einer Meßwertanzeige 26 für weitere Meßwerte, gegebenenfalls T, verbunden ist. Aus Fig. 1 ist außerdem noch ersichtlich die Stromversorgung bzw. Spannungseinspeisung für den Verstärker für die Meßwerte und das Sendemodul zur telemetrischen Übertragung der Daten. Hierzu ist eine Induktionsspule 11 im Stator mit einem Oszillator 27 verbunden. Mit der Induktionsspule im Stator gekoppelt ist eine Induktionsspule 10 im Rotor, die ihrerseits mit den Sendemodulen für Druck 8 und Temperatur 14 und/oder anderen Meßwerten verbunden sind, die eine Verbindung zur Sendeantenne 9 aufweisen.
- Wenn auch in Fig. 1 nur zwei Kanäle für das Telemetriesystem dargestellt sind, so ist doch selbstverständlich, daß eine Vielzahl von Kanälen für gewünschte Meßwerte wie Drehmoment, Beschleunigung, Dehnung und anderes, erfaßt und übertragen werden können.
- In Fig. 2 ist der Aufbau bzw. die Anordnung der Komponenten in einem Versuchsträger ersichtlich. Dabei werden Druckmeßleitungen von verschiedenen Stellen eines rotierenden Prüflings 1 mit einem im Wellenzentrum des Rotors angeordneten Druckmeßstellenumschalter 2 verbunden, der jeweils eine der Druckmeßleitungen auf einen piezoresistiven Drucksensor 3 durchschaltet. Der Antrieb des Meßstellenumschalters erfolgt mittels eines pneumatischen Schrittmotors 4. Schrittmotor und Druckumschalter sind in einem Halte- und Verbindungsteil 5 gehaltert. Die Teile 2 bis 5 sind ineinander steckbar. Die Schaltluft für den Schrittmotor 4 wird über zwei konzentrisch angeordnete Druckleitungen 6 und 7 zugeführt, die an der Schnittstelle zwischen Rotor und Stator (in Fig. 2 links) verschleißfrei abgedichtet sind, und die zur Kodierung des Meßstellenumschalters 2 über die pneumatischen Ventile 19 dienen, die die Schaltluft mit zwei Eingängen verbinden.
- Der Drucksensor 3 wird vom Drucksendemodul 8 mit Spannung versorgt und sein Ausgangsteil wird im Sendemodul in frequenzmodulierte HF-Signale umgewandelt, die berührungslos über eine Sendeantenne 9 vom rotierenden Prüfling 1 zum Stator übertragen werden.
- Die Spannungsversorgung für die Sendemodule erfolgt berührungslos über ein induktiv gekoppeltes Spulensystem mit einer Rotorspule 10 und einer Statorspule 11. Im Stator ist ferner die Empfangsantenne 12 angeordnet. Meßstellenumschalter, Drucksensor, gegebenenfalls andere Sensoren, Sende- und zugehörige Antennenmodule sind jeweils durch Halte- und Verbindungsglieder und/oder -träger (wie 5, 15) miteinander verbunden (ineinander steckbar) und in eine Hohlwelle 16 der Strömungsmaschine einsteckbar.
- Um eine hohe Meßgenauigkeit zu erreichen, wird der Einfluß der Zentrifugalkräfte, die in rotierenden Systemen auftreten, auf die Druckmeßleitungen und das darin enthaltene Medium durch Kompensation berücksichtigt. In diese Korrektur muß die Temperatur des Mediums neben der Drehzahl einbezogen werden. Als Meßfühler für die Temperatur dienen Thermoelemente 13, die mit der Meßleitung 29 entlang der Druckmeßleitung 28 verlaufen. Der Anschluß der Thermoelemente an den Telemetrieträger 15 erfolgt steckbar, achszentral, vergleiche Fig. 4, links. Die Temperaturen, wie sie vom Thermoelement 13 bestimmt werden, werden zusammen mit den Temperaturen vom Drucksensor und der Druckerfassungseinheit über eine zweite Erfassungseinheit (Module) berührungslos als Funksignale mittels Antenne zur Statorseite gesendet. Mit den Temperaturen von Drucksensor und Druck-Sendemodul werden deren temperaturabhängige Fehler korrigiert.
- Man erreicht mit diesen Korrekturmethoden für ein mehrkanaliges Druckmeßsystem eine Meßgenauigkeit von +-0,2% vom Meßbereich über den Temperaturbereich im Wellenzentrum von etwa 275-400°K und für Drehzahlen bis etwa max. 50 000 min-1. Die Standzeit des Systems ist nahezu unbegrenzt, da alle Übertragungen von der Rotor- zur Statorseite und umgekehrt berührungsfrei augelegt sind und die Komponenten im Rotor vom Stator aus elektrisch versorgt werden.
- Gleiches gilt für die Pneumatik zur Meßstellenumschaltung.
- Wie Fig. 3 zeigt, ist axial vor dem Druckmeßstellenumschalter 2, der in der Hohlwelle 16 mitrotiert und in einer Spezialhalterung 5 befestigt ist, ein pneumatischer Schrittmotor 4 angeordnet.
- In Fig. 4 ist noch zusätzlich ersichtlich, ein Temperatursensor, ein Temperatursender 14 und ein Träger 15 für die Telemetrieeinrichtung. Über diese wird das Ausgangssignal des in der Welle mitrotierenden Drucksensors 3 über das Sendemodul 8 zur Sendeantenne 9 geführt. An diese Antenne ist gleichzeitig der Sender zur Übertragung der Meßsignale von einem oder mehreren Thermoelementen 13 angeschlossen.
- Der rotierende Druckmeßstellenumschalter ist in den Telemetrieträger 15 mit eingebaut. Dieser Druckmeßstellenumschalter 2 ermöglicht den Anschluß von einer Vielzahl von Druckmeßstellen und die schrittweise Verbindung dieser Meßstellen mit dem Ausgangskanal. Der Druckmeßstellenumschalter 2 verbindet bei seiner schrittweisen Winkelbewegung um die Rotationsachse = Achse der Hohlwelle 16, jeweils einen Eingangskanal mit dem Drucksensor 3. Seine Bewegung wird von einem pneumatischen Schrittmotor 5, z. B. in zehn Winkelgradschritten präzise gesteuert. Im Mittelteil des Schrittmotors befindet sich eine Doppelkammer, deren Trennwand 2 a als Kolben dient und hin- und herverschoben werden kann. Der Kolben bewegt die Achse, an deren beiden Enden Zahnscheiben 4 a, 4 b sitzen (vgl. hierzu Fig. 3 und 4). Zwei auf dem Außenmantel des Schrittmotors sichtbare Reihen von Kanälen 2 b, 2 c dienen der wechselseitigen Füllung, jeweils eines Raums auf einer Seite der Trennwand in der Doppelkammer mit Druckluft. Wird die rechte Lochreihe mit Druck beaufschlagt, weicht der Kolben nach links aus und bringt die Zahnscheibe 4 a in die in Fig. 3 gezeigte Stellung.
- Wird der Schaltdruck auf die linke Lochreihe der Kanäle geleitet, gleitet der Kolben nach rechts mit der Zahnscheibe 4 b. Bei jeder Schaltung greift eine der Zahnscheiben 4 a, 4 b in die entsprechende Zahnung auf dem Zylinder. Durch die Teilung der Zahnung erfolgt dabei jedesmal eine Drehung um 10°. Ein Mitnehmer auf der Schrittmotorachse bewegt den Umschalter spielfrei. Auch der Druckumschalter 2 ist steckbar in den Telemetrieträger 15 integriert.
- Fig. 5 zeigt die gesamte Druckmeß- und Telemetrieeinrichtung zusammengesteckt als Einheit für den Einbau in einer Hohlwelle 16, die im Versuchsträger 17 und Nabe 18 umläuft. Die Schaltluft für den pneumatischen Schrittmotor wurde über den Druckleitungen 6, 7 zentrisch in die Hohlwelle 16 geleitet. Beide Leitungen im Rotor 1 sind nur über Luftspalt und Labyrinth abgedichtet. Der Schaltdruck betrug z. B. nur etwa 2 bar. Druckimpulse von etwa 30 ms waren zur Betätigung des Schrittmotors ausreichend. Mittels Magnetventilen 19 wurden die Schaltluftleitungen 6, 7 zum Antrieb des Schrittmotors 4 wechselseitig mit Druck beaufschlagt. Die Stromsignale für die Magnetventile und die Druckimpulse für die Schaltluftleitungen erfolgten von einem elektronischen Steuergerät 20 (siehe Fig. 1). An diesem sind die Meßkanäle wählbar. Die Vorwähl-Tastatur des Steuergeräts ist gegen Fehlbedienung elektrisch verriegelt. Dem Meßstellenumschalter 2 wird die Schaltluft über die pneumatischen Ventile 19 mit zwei Eingängen über Leitungen 6 und 7 eindeutig identifizierbar zugeführt und vom Steuergerät 20 elektrisch betätigt.
- Die Betätigung erfolgt nach der Wahl des Meßkanals am Kanalumschalter 25 der von außen zugänglich ist.
- Eine bevorzugte Anwendung der Vorrichtung zur Erfassung von Meßwerten ist in einem Gasturbinentriebwerk mit mehreren Wellen, wobei in wenigstens einer Hohlwelle Meßfühler, Meßwertabnahme und eine Einrichtung zur Fernübertragung der Meßdaten angeordnet ist.
- Die Vorrichtung kann auch mit Vorteil in einer Rotorscheibe einer Strömungsmaschine zur Strömungsmessung in einem beschaufelten Rotor mit Deckscheibe angewandt werden.
Claims (18)
1. Vorrichtung zur Erfassung von Meßwerten in rotierenden Anordnungen von Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, mit wenigstens einem gehäuseseitigen Lagerungsteil und wenigstens einer darin drehbar gelagerten Welle für einen Rotor mit verschiedenen Meßstellen, deren Meßwerte über einen Sender an eine feststehende Empfangseinrichtung übertragen werden, wobei die Stromversorgung über eine induktive Kopplung vom feststehenden Teil zum Rotor erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Welle (16) angeordnet sind:
a) ein pneumatisch/elektrischer Meßstellenumschalter (2),
b) ein pneumatischer Schrittmotor (4) zur Betätigung des Meßstellenumschalters,
c) ein dem Meßstellenumschalter nachgeschalteter Drucksensor (3),
d) der Sender (8) für die Übertragung der Meßwerte des Drucksensors und
e) eine Sendeantenne (9) zur Übertragung der Meßwerte zum Stator der Maschine.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstellenumschalter (2) als Druckmeßstellenschalter ausgebildet ist, der mit der Meßstelle über Druckmeßleitungen (28) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Schrittmotor (4) über Schaltluft gesteuert eine schrittweise Winkelbewegung ausführt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstellenumschalter (2) umschaltet, indem er einen Winkelschritt ausführt und jeweils einen Eingangskanal (28) für die Meßwerte mit dem Drucksensor (3) verbindet.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltluft zur Kodierung der Stellung des Meßstellenumschalters (2) mit zwei bestimmten Eingängen desselben verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem pneumatischen Schrittmotor (4) für den Meßstellenumschalter (2) die Schaltluft über Druckleitungen (6, 7) zuführbar ist, die berührungslos und verschleißfrei abgedichtet im Bereich eines gehäusefesten Lagerteils (bei 18) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltluft erzeugt wird über pneumatische Ventile (19), die von einem elektrischen Steuergerät (20) betätigt werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstellenumschalter (2) zusätzlich für die Umschaltung elektrischer Signale ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturmeßelemente (29) den Druckmeßstellen (28) zugeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drucksensor (3) ein Tempertursensor (13) zur Korrektur der Druckmeßwerte zugeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßwerte über einen weiteren Sender (14) übertragen werden.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßwerte als Korrektursignale etwaiger temperaturbedingter Abweichungen der Druckmeßwerte (3) einer Auswerte- Elektronik (21-26) telemetrisch zugeführt und dort verarbeitet werden.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung mit einer Empfangsantenne (12), einem Meßwertempfänger (21), einem Demultiplexer (24) und wenigstens einer Anzeige (23, 26) ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Demultiplexer (24) und Meßwertanzeiger (26) ein Kanalumschalter (25) für verschiedene Messungen von außen zugänglich angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Meßwertempfänger (21) und einer Meßwertanzeige (23) ein Demodulator (22) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile der Meßdatenerfassung (3, 13), der Meßstellenumschaltung (2, 4, 5) und das Sendemodul (8, 9, 14, 15) der Datenfernübertragung als steckbare Einheit ausgebildet und in einer Welle (16) angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gasturbinentriebwerk mit mehreren Wellen in wenigstens einer Hohlwelle die Meßfühler (Sensoren 3, 13) sowie Meßwertabnehmer (Meßköpfe 8, 14) und eine telemetrische Einrichtung (9) zur Datenfernübertragung (bei 15) angeordnet sind.
18. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Rotorscheibe (1) einer Strömungsmaschine, wobei Strömungsmessungen in einem beschaufelten Rotor mit Deckscheiben durchgeführt werden.
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