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WO2005078403A2 - Vorrichtung zur leistungsbestimmung von betriebsmitteln - Google Patents

Vorrichtung zur leistungsbestimmung von betriebsmitteln Download PDF

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Publication number
WO2005078403A2
WO2005078403A2 PCT/EP2005/050313 EP2005050313W WO2005078403A2 WO 2005078403 A2 WO2005078403 A2 WO 2005078403A2 EP 2005050313 W EP2005050313 W EP 2005050313W WO 2005078403 A2 WO2005078403 A2 WO 2005078403A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
torque
generator
gas turbine
steam turbine
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/050313
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2005078403A3 (de
Inventor
Hans-Gerd Brummel
Hans-Peter Heindel
Peter KRÄMMER
Uwe Linnert
Michael Willsch
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2005078403A2 publication Critical patent/WO2005078403A2/de
Publication of WO2005078403A3 publication Critical patent/WO2005078403A3/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D17/04—Arrangement of sensing elements responsive to load
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
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    • F01D17/08—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/12—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving photoelectric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/24—Devices for determining the value of power, e.g. by measuring and simultaneously multiplying the values of torque and revolutions per unit of time, by multiplying the values of tractive or propulsive force and velocity

Definitions

  • the invention relates to a device for Bestim ⁇ mung of benefits at least two operating means transmit the rotational power by means of a common shaft with the axis thereof directed to a machine, wherein one each resource assigned to and facing towards the machine shaft part assigned by his Equipment experiences a torque that is a measure of the power output by the respective equipment.
  • the performance is one of the most important operating parameters in turbomachines, in particular gas turbines, which have a high specific fuel consumption for technical reasons. It is composed of two components: the actual performance of the turbine and the efficiency or heat consumption.
  • the efficiency or heat consumption is a measure of how much fuel per unit of time the gas turbine needs to generate a certain output. For reasons of comparability, this parameter is set to a certain constellation of the other ⁇ mental conditions according to ISO standard based, since the performance of gas turbines greatly on environmental conditions such as temperature, pressure and humidity dependent.
  • This method is common practice, especially for online efficiency determinations in the continuous operation of power plants.
  • This procedure is particularly difficult in the context of gas and steam technology, since it is a so-called single-shaft configuration in which both the gas and the steam turbine transfer their mechanical power to a common generator.
  • EP 0 800 645 B1 discloses a device with which the performance of gas and steam turbines in single-shaft systems can be determined.
  • the gas and steam turbines each transmit torque to the common shaft.
  • the torsion of the shaft due to the torques are determined according to the document by a shift of marks previously attached to the shaft.
  • the size of the displacement indicates how strongly the shaft is twisted so that conclusions can be drawn about the individual performance of the turbines.
  • a magnetoelastic sensor is able, among other things, to The difference in the mechanical tensile and compressive stress when a torque is applied to a shaft in the shaft surface is used. The change in the magnetic permeability due to the tensile and compressive stress is used.
  • a corresponding, non-contact sensor is in the data sheet: "Torque sensor 2000 , dat_20000404 "from the company” ProTurbo Surveillance Systems GmbH, 40883 Ratingen (DE) ".
  • the object of the present invention is to provide a device of the type mentioned at the outset which, compared to the prior art, offers a less sensitive and yet more precise measuring device with regard to the influences mentioned, which is also more flexible to handle and less expensive to install.
  • the invention is characterized by the features mentioned at the outset in that a torsion of the corresponding shaft part which is proportional to the respective torque is to be determined with the aid of at least one optical sensor.
  • Performance of the equipment with operational measurement technology It has almost the same precision on systems that are driven by only one piece of equipment via a shaft.
  • the high accuracy of the torsion measurements and the power measurements derived therefrom is ensured by a simple, insensitive optical sensor system.
  • the optical sensor can be a Moire interference sensor.
  • a Moire interference sensor With a Moire interference sensor, the smallest displacements can be visualized in the simplest way.
  • the moiré interference sensor consists of two disks that are spaced apart from one another and have radially configured line scales with different line periods, so that a moiré pattern can be generated, which are arranged in this way on the respective shaft section that there is a distance between their two fixings, so that the torsion of the shaft section within the distance rotates the two disks relative to one another and the moire pattern can thereby change, which can be detected by means of a detector device.
  • the sensitivity of the measurement can be set as easily as possible over a wide range by selecting the different line periods. The device is therefore conceivable both for applications with a relatively large torsional amplitude and for applications with a very small torsional amplitude.
  • N x is the number of lines on one of the two disks
  • N 2 is the number of lines on the other disk.
  • Another possibility of adjusting the sensitivity results in the present invention by the choice of the distance the fixation of the two discs on the shaft.
  • Another advantage of this configuration is that the moire pattern changes as it were a multiple gain represents the torsion ⁇ amplitude. This device is therefore insensitive to vibrations or the play of the shaft, which can be of the order of magnitude of the torsional amplitude or larger.
  • both plates are transparent to light and the detector of an optical transmitting unit and a receiving unit exists, arranged in such a way be ⁇ that the change in the moire pattern by Trans ⁇ mission is to detect light through the two discs ,
  • This configuration allows the measuring device to be installed as simply as possible.
  • one pane is transparent to light, while the other pane is reflective to light and the detector consists of a combined transmitter and receiver unit, arranged in such a way that light, emitted by the transmitter and receiver unit through the transparent Disc meets the second disc, where it is reflected to the transmitter and receiver unit and thus the change in the moire pattern can be detected.
  • This space-saving design is particularly advantageous for turbine systems with relatively short shaft parts.
  • the invention is characterized by the features mentioned at the outset in that a mechanical tension of the corresponding shaft part which is proportional to the respective torque is to be determined with the aid of at least one magnetic sensor.
  • the advantage of this device is the possibility for online evaluation of the performance of the equipment with operational measurement for systems in a single-shaft configuration, on which several equipment is arranged on a shaft. perform technology. It has almost the same accuracy as in systems that are driven by only one piece of equipment via a shaft. The high accuracy of the mechanical voltage measurements and the power measurements derived from them is guaranteed by a simple, insensitive magnetic sensor system.
  • the at least one magnetic sensor may be a magneto-elastic sensor ⁇ . Since the magnetoelastic sensor is sensitive to the mechanical tensile and compressive stresses in the corresponding shaft part, a torque can be determined in spite of very small torsions of large power plant shafts. Since the torque measurement is also contactless, no mechanical changes need to be made to the corresponding shaft part, and no additional components for measurement have to be attached to the corresponding shaft part. In addition, only one free shaft section of approximately 10 cm in the longitudinal direction of the shaft part is required for installation of the magnetoelastic sensor.
  • a signal processing device for processing measured signals perform a magnetoelastic sensor of the least.
  • the measurement signals supplied directly by the at least one magnetoelastic sensor are not suitable for direct transmission to process control systems with which, for example, gas and steam turbine systems are monitored and controlled.
  • the signal processing device With the signal processing device, the measurement signals can be processed into signals suitable for the process control systems.
  • the device according to the invention should be designed with at least one temperature measuring device for determining the temperature of the corresponding shaft part and the magnetoelastic sensor.
  • infrared thermometers can be used, for example, which receive and evaluate the radiated heat radiation for non-contact temperature measurement.
  • the prevailing temperatures must be observed in order to be able to correctly interpret the measurement results.
  • measures such as cooling of corresponding components can be initiated in order, for example, to keep the at least one magnetic, in particular magneto-elastic sensor at a constant temperature.
  • the signal processing device has means for compensating for measurement signal changes attributable to temperature changes in the corresponding shaft part.
  • measurement signal deviations which are due to a temperature drift of the at least one magnetoelastic sensor and the corresponding shaft part, can be corrected in a particularly simple manner during the preparation of the measurement signal. Since the correction takes place during signal processing of the measurement signal, it is possible to react immediately to temperature fluctuations.
  • the device according to the invention with at least one distance measuring device for of destination of the distance of the at least a magnetic, in particular magneto-elastic sensor for respective shafts ⁇ part.
  • the distance between the at least one magnetic, in particular magneto-elastic, sensor and the corresponding shaft surface also has a sensitive influence on the measurement result, so that changes in distance, for example caused by vibrations or the play of the shaft, significantly affect that of the at least one magnetic sensor. see, in particular magnetoelastic sensor delivered measurement signal affect. Knowledge of the current distance can be included in the evaluation of the measurement results in order to avoid misinterpretations.
  • the signal processing device has means for compensating measurement signal changes that can be traced back to changes in the distance of the at least one magnetoelastic sensor from the corresponding shaft part. Since the compensation is done in the signal processing of the Messsig ⁇ Nals, the recyclable to the changes in distance measurement signal changes may be corrected directly in the measurement signal processing. This is particularly suitable for rapid changes in distance, such as those caused by wave vibrations.
  • the device according to the invention with at least one servomotor acting on the at least one magnetic, in particular magneto-elastic sensor for changing the distance of the at least one magnetic, in particular magneto-elastic sensor from the corresponding shaft part.
  • the at least one servomotor acting on the at least one magnetic, in particular magneto-elastic sensor for changing the distance of the at least one magnetic, in particular magneto-elastic sensor from the corresponding shaft part.
  • the at least two flow machines can advantageously be a gas and a steam turbine, while the machine is a generator. This is a frequently ⁇ striking design, as found in gas and steam turbine power plants.
  • the generator is advantageous for the generator to be arranged between the two turbomachines, at least one optical sensor being arranged between the turbomachines and the generator.
  • This arrangement ensures that the forces acting on the shaft are distributed more evenly over the entire shaft, since each shaft part is only driven by one turbine. This means a lower load for the shaft, so that it can be designed with a lower weight overall.
  • the steam turbine can also advantageously be arranged between the gas turbine and the generator, with at least one optical sensor being arranged between the gas turbine, the steam turbine and the generator.
  • at least one optical sensor being arranged between the gas turbine, the steam turbine and the generator.
  • less complex generators can be used, the construction of which does not require a continuous shaft.
  • the power P DT of the steam turbine and the power P GT of the gas turbine from a torque M GT of the gas turbine to be recorded, a torque M DG to be recorded at the shaft part between the steam turbine and generator and a total terminal power to be recorded.
  • device P gene of the generator according to the equations
  • the gas turbine between the steam turbines can be arranged ⁇ the generator ne and wherein each Any artwork least an optical sensor between the steam turbine, gas turbine and generator is arranged. Even with this configuration of the device, less expensive generators can be used, the construction of which does not require a continuous shaft.
  • both an optical and a magnetic sensor for torque measurement.
  • both sensors can redundantly measure the torque present on a shaft part.
  • FIG. 1 shows a single-shaft system in which a generator is arranged between a gas turbine and a steam turbine
  • FIG. 2 shows a single-shaft system in which a steam turbine is arranged between a generator and a gas turbine
  • FIG. 3 shows a single-shaft system in which a gas turbine is between a generator and a Steam turbine is arranged
  • FIG. 4 shows a moire interference sensor in a transmission configuration
  • FIG. 5 shows a moire interference sensor in a reflection configuration
  • FIG. 6 shows a moire interference sensor which is designed as an intermediate piece of a shaft of a single-shaft system
  • FIG. 7 shows a moire interference sensor, which is designed as a push-on part for a shaft of a single-shaft system, in a side view
  • 8 shows a Moire interference sensor, which is designed as a plug-on part for a shaft of a single-shaft system, in cross section
  • Figure 9 shows a torque measuring device with a magnetoelastic sensor, electronic temperature drift compensation and electronic distance correction and
  • Figure 10 shows a torque measuring device with a magnetoelastic sensor, electronic temperature drift compensation and mechanical distance correction.
  • FIG. 1 shows a single-shaft system in which a generator 4 is arranged between a gas turbine 1 and a steam turbine 8.
  • Figure 2 shows a single shaft, in a steam turbine 8 between a generator 4, and a gas turbine 1 placed currency ⁇ rend
  • Figure 3 is a single-shaft, is disposed in a gas turbine 1 between a generator 4, and a steam turbine.
  • 1 denotes a gas turbine, 2 and 11 shaft parts between the gas turbine and generator, 3 a torque measuring device for the power component of the gas turbine in the form of an optical sensor, 4 a generator, 5 and 9 shaft parts between the steam turbine and generator, 6 a torque measuring device for the power share of the steam turbine in the form of an optical sensor, 7 an optional coupling, 8 a steam turbine and 10 a torque measuring device for the total power on the generator.
  • measuring devices in the form of optical and / or magnetic sensors 3, 6 and 10 are provided on the corresponding shaft parts 2, 5, 9 and 11 between the components gas turbine 1, steam turbine 8 and generator 4 the respective determination of the torsion and / or of mechanical stresses and thus of torques.
  • the mechanical stresses in the shaft parts 2, 5, 9 and 11, the torsion and the forces acting on the shaft members 2, 5, 9 and 11 are torques to one another directly proporti ⁇ onal.
  • the ratio of the torques which the shaft parts 2, 5, 9 and 11 experience from the gas turbine 1 and the steam turbine 8 is a direct measure of the distribution of the power shares of the gas turbine 1 and the steam turbine 8.
  • the gas turbine 1 and the steam turbine 8 can be directly assigned to the two shaft parts 2 and 5 to the left and right of the generator.
  • the following calculation process applies:
  • the corresponding fuel mass flow for the gas turbine 1 is indirectly by using a gas turbine thermo- dynamic simulation model determined.
  • the calculation includes parameters that reflect the environmental conditions. These are, for example, the ambient temperature, the ambient air pressure, the relative humidity and losses, such as pressure losses in the intake and exhaust section of the turbine.
  • M DT the measured torque on the shaft part 5 between the steam turbine 8 and the generator 4
  • M DG the measured total torque on the shaft part 9 between the steam turbine 8 and the generator 4
  • P Gen understood the measured generator terminal power.
  • the steam turbine 8 can be disengaged with an optionally arranged coupling 7, which is shown in FIG.
  • the gas turbine 1 in which the generator terminal power displayed exclusively reflects the power portion of the gas turbine 1, a characteristic curve is taken of the Drehmo ⁇ mentes depending on the generator terminal performance.
  • the torque is then measured on the gas turbine shaft 2 and a further characteristic curve is recorded. By comparing the two characteristic curves, the associated generator terminal power component of the gas turbine 1 can be determined immediately.
  • FIGS. 4 to 8 show embodiments of a Moire interference sensor.
  • the figures in the figures denote
  • a torsion path 17 on the shaft part 16, on which the sensor is arranged is initially required.
  • radially configured line scales 20 are positioned on disks 12, 11 and 24, respectively, via corresponding auxiliary structures.
  • the disks 12, 11 and 24 are provided on the same length with line scales 20 slightly different number of lines Ni and N 2 .
  • the two disks 12, 11 and 24 are placed close together. Is from the outside a light ⁇ directed to the arrangement of beam 21, it passes through both disks 12, 11 and 24 and is depending on the position of the bars on the scales 20 let through, slightly weakened or completely hidden.
  • the patterns resulting from the superimposition of the two scales 20 are characterized by light-dark areas. Due to the different periods of the two scales 20, the following property results for the position of the light-dark areas. If the two scales 20 are displaced by a line against each other due to torsion, the dark area makes one revolution along the scale 20 on the disk 12. The dark area now serves as a scale, so that the individual lines do not have to be detected individually. This effect allows the torsion angle to be increased almost as desired and the torsion to be read more easily. The reading from the outside can be done by measuring the light 22 coming back from the scale 20. The number of light-dark maxima is given by the difference in the number of lines of the two overlapping scales 20. Thus, depending on the number of measurement points required over a full range, which are given by the maxima, the number of lines on the scales 20 must be varied absolutely and relative to one another.
  • the maxima may also have a second double scale with exchanged periods be ⁇ be used. On this second double scale, the maxima move in torsion opposite to the other scale 20. If the angle of rotation is not known, the relative position of the maxima of both double scales is a measure of the torsion.
  • scales 20 for the present principle which are not based optically but on electrical principles, on mechanical principles or on ultrasound. Capacitive measurement methods are conceivable for electrical principles and acoustic measurement methods for mechanical principles. In principle, scales 20 with a changed period are also conceivable.
  • the receiver unit 15 or 19 With the receiver unit 15 or 19, the very small, generally “quickly” passing individual lines before being detected, but only the spatially extended light-dark maxima. For this, the receiver signals with a significantly lower cutoff frequency must be evaluated.
  • the absolute position of the light-dark pattern relative to the angular position of the shaft part 16 or the relative phase between the patterns of two scales 20 is a measure of the torsion and thus the torque. This information is already generated on the shaft part 16. It can be captured from the outside with optical or image technology methods during the rotary movement or even while standing.
  • a light beam 21 is directed by a fixed transmitter 14 and receiver unit 15 or 19 onto the moiré scale and the light modulated there is detected by means of one or more photodetectors.
  • measurements can be made once in transmission with separate transmitter unit 14 and receiver unit 15, as shown in Figure 4, or in reflection with a combined transmitter and receiver unit 19, as shown in Figure 5.
  • Todetektorsignalen from the Pho ⁇ and the rotational speed can electronically shifting the cut-off zones to be determined. Since the signals virtually continuously vorlie ⁇ gen, this can be done according continuously.
  • the absolute angle of rotation must also be recorded. If you work with two counter-rotating double scales, the relative distance can be used as a measure of the torque, only the speed of rotation is then involved.
  • FIGS . 6 to 8 show two embodiments for attaching the measuring device 3, 6 and 10 to shaft parts 16.
  • Figure 6 shows a torque sensor 3, 6 and 10, which is designed as an intermediate piece between two shaft parts 16. The connections to the respective shaft parts 16 are made via two flanges 23 with which the measuring device can be screwed to the shaft parts 16, for example.
  • the embodiment of the torque sensor 3, 6 and 10 shown in FIGS. 7 and 8 is designed as a plug-on part.
  • FIG. 7 shows the side view
  • FIG. 8 shows the cross section of part of the measuring device 3, 6 and 10.
  • the torsion path 17 can be freely adjusted.
  • the measuring device 3, 6 and 10 as shown in Figure 8 illustrates ones shown, carried out in two corresponding parts that can be attached after the attachment of the shaft member 16 with corresponding ⁇ the means for fixing 25 together.
  • screws or clamps can be used as a means of fastening.
  • a torque measuring device with a magnetoelastic sensor 30 is shown schematically in FIG.
  • the sensor used is, for example, an embodiment as described in the aforementioned data sheet: “Torque sensor 2000, dat_20000404” from the company “ProTurbo Monitoring Systems GmbH, 40883 Ratingen (DE)”.
  • the magnetoelastic sensor 30 works without contact and is arranged at a distance d of approximately 0.75 mm from the shaft part surface 016.
  • a temperature measuring device 50 is arranged in the magnetoelastic sensor 30 such that the temperature of the shaft part 16, in particular the shaft part surface 016, and the sensor 30 can be determined during the measurement.
  • Infrared thermometers with an infrared radiation receiver can be used as temperature measuring device 50, for example.
  • magneto-elastic sensor 30 In magneto-elastic sensor 30.
  • a distance measuring device 40 is arranged such that the distance d between magnetoelastic sensor 30 and shaft part surface can be found in solution during the Mes ⁇ sixteenth
  • a capacitive distance measuring device can be used as the distance measuring device 40, for example.
  • Magnetoelastic sensor 30, temperature and distance measuring device 50 and 40 are arranged in a stationary manner. net. It is particularly advantageous, for example, that the magnetoelastic sensor 30 and the distance measuring device 40 have a common housing.
  • a measurement signal S30 from the magnetoelastic sensor 30 is transmitted to a signal processing device 60, in which it is processed for evaluation in a process control system 70.
  • the measurement signal S30 of the magnetoelastic sensor 30 and a measurement signal S50 of the temperature measurement device 50 are transmitted to a means 61 for compensating measurement signal changes attributable to temperature changes.
  • this compensation means 61 corrects the measurement signal S30 with respect to a temperature change electronically.
  • This corrected measurement signal S61 is further transmitted to a means 62 for compensating measurement signal changes that can be attributed to changes in the distance of the magnetoelastic sensor 30 from the shaft part 16.
  • a distance correction characteristic curve can be determined by means of a distance dependency of the magnetoelastic sensor 30 to the shaft partial surface 016 previously determined at constant temperature, with the aid of which the compensation means 62 also corrects the measurement signal S61 electronically with respect to a change in distance.
  • the measurement signal S62 which is now corrected for a change in temperature and distance, is further transmitted to a signal processing unit 63, with which it is sent to a processor for processing in Process control system 70 suitable signal S63 is processed.
  • FIG. 10 schematically shows a torque measuring device with a magnetoelastic sensor 30.
  • the essential difference from the illustration in FIG. 9 is that with this exemplary embodiment, possible changes in the distance of the magnetoelastic sensor 30 from the shaft part surface 016 are not compensated for electronically, but rather mechanically by means of a servomotor 90.
  • the measurement signal S40 is measured with the Information about the distance d from the distance measuring device 40 is transmitted to a control unit 80.
  • the control unit 80 of the instantaneous value of the distance d mm compared, 0.75 and driven in case of deviation, the servomotor 90 for restoring the setpoint distance by means of a corresponding control signal S80 with the previously determined reference value of ⁇ example.
  • the distance measuring device 40 can be arranged separately and independently of the magnetoelastic sensor 30 and servomotor 90, or, as indicated in the exemplary embodiment in FIG. 10, can also be formed in a common housing with the magnetoelastic sensor 30.
  • the servomotor 90 thus tracks the magnetoelastic sensor 30 together with the distance measuring device 40 in accordance with the change in distance.
  • the Messsig ⁇ nal S30 of the magnetoelastic sensor 30 and the measurement signal of the temperature measuring device transmits S50 50 to the means 61 for compensation of recyclable to changes in temperature measurement signal changes.
  • the measurement signal S61 which is electronically corrected there with respect to a temperature change, is then fed to the signal processing unit 63 for signal processing, from where the processed signal S63 is sent to the process control system 70.
  • the compensation means 62 for the electronic correction of a change in distance can be connected. This is particularly useful and advantageous if there are changes in distance with a high frequency.
  • the mechanical correction method has an advantage over the electronic compensation unit 62, because in the event that the distance d between the magnetic sensor 30 and the shaft part surface 016 becomes greater than the measuring range in which a measurement is made after the magnetoelastic effect is still possible, the sensor 30 can be adjusted with the servomotor 90 until the required measuring range is reached. In this case, however, the electronic correction unit 62 receives no or no usable measurement signal from the magnetoelastic sensor 30 and is therefore ineffective.
  • Electrical conductors are preferably provided for the transmission of the measurement signals S30, S40, S50, S61, S62, S63 and S80.
  • the distance and temperature measuring devices 40 and 50, on the one hand, and the signal processing device 60, on the other hand, or between the signal processing device 60 and the process control system 70, radio and / or light transmission devices are also conceivable for signal transmission.

Landscapes

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung von Leistungen wenigstens zweier Betriebsmittel (1, 8), die Rotationsenergie mittels einer ge­meinsamen Welle mit gerichteter Achse an eine Maschine (4) übertragen. Dabei erfährt jeweils ein jedem Betriebsmittel (1, 8) zugeordneter und in Richtung auf die Maschine (4) wei­sender Wellenteil (2, 5) von seinem zugeordneten Betriebsmit­tel (1, 8) ein Drehmoment. Dieses Drehmoment ist ein Massfür die von dem jeweiligen Betriebsmittel (1, 8) abgegebene Leis­tung. Darüber hinaus führt das jeweilige Drehmoment zu einer dazu proportionalen Torsion bzw. mechanischen Spannung des Wellenteiles (2, 5), die mit Hilfe mindestens eines optischen bzw. magnetischen Sensors (3, 6) zu bestimmen ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Leistungsbestimmung von Betriebsmitteln
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestim¬ mung von Leistungen wenigstens zweier Betriebsmittel, die Rotationsleistung mittels einer gemeinsamen Welle mit gerichteter Achse an eine Maschine übertragen, wobei jeweils ein jedem Betriebsmittel zugeordneter und in Richtung auf die Ma- schine weisender Wellenteil von seinem zugeordneten Betriebsmittel ein Drehmoment erfährt, das ein Maß für die von dem jeweiligen Betriebsmittel abgegebene Leistung ist. Eine ent¬ sprechende Vorrichtung zur Bestimmung einer Leistung, die von einer Maschine an einen Wellenstrang abgegeben wird, geht aus der EP 0 800 645 Bl hervor.
Das Leistungsvermögen stellt beispielsweise bei Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen, die technisch bedingt einen hohen spezifischen Brennstoffverbrauch aufweisen, einen der wichtigsten Betriebsparameter dar. Er setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: Der eigentlichen Leistung der Turbine und dem Wirkungsgrad bzw. Wärmeverbrauch. Der Wirkungsgrad bzw. Wärmeverbrauch ist ein Maß dafür, wie viel Brennstoff pro Zeiteinheit die Gasturbine benötigt, um eine bestimmte Leistung zu erzeugen. Aus Gründen der Vergleichbarkeit wird diese Kenngröße auf eine bestimmte Konstellation von Umge¬ bungsbedingungen nach ISO-Standard bezogen, da das Leistungsvermögen von Gasturbinen in hohem Maße von Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit abhängig ist. Um die messtechnische Bestimmung des Wirkungsgrades, der der Quotient aus Nutzleistung zu eingebrachter Brennstoffleistung in Prozent ist, bzw. des Wärmeverbrauchs, der die eingebrachte Brennstoffwärme pro erzeugter kWh Strom ist, mit der erforderlichen hohen Genauigkeit durchzuführen, wird bei stationären Strömungsmaschinen, die der Stromerzeugung dienen, in der Regel ein indirektes Verfahren angewandt. Hierbei wird der zur Bestimmung des Wirkungsgrades benötigte Brenn- Stoffmassenstrom nicht direkt gemessen, da diese Messung speziell für die hauptsächlich verwendeten gasförmigen Brennstoffe in großtechnischen Anlagen zu ungenau ist. Stattdessen wird die exakte messbare Klemmenleistung am Generator, der von der Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, angetrieben wird, herangezogen und über ein Gasturbinensimulationsprogramm, welches im Rahmen der Abnahmemessung geeicht wurde, der erforderliche Brennstof massenstrom rückgerechnet. Dieses Verfahren ist gängige Praxis, insbesondere bei Online- Wirkungsgradbestimmungen im Dauerbetrieb von Kraftwerksanlagen. Besonders im Rahmen der Gas- und Dampftechnik stößt diese Vorgehensweise auf Schwierigkeiten, da es sich hier um eine so genannte Einwellenkonfiguration handelt, bei der sowohl die Gas- als auch die Dampfturbine ihre mechanische Leistung auf einen gemeinsamen Generator übertragen. Gemäß
EP 0 800 645 Bl ist eine Vorrichtung offenbart, mit der die Leistung von Gas- und Dampfturbinen in Einwellenanlagen bestimmt werden können. Die Gas- und die Dampfturbine übertragen auf die gemeinsame Welle jeweils ein Drehmoment. Die durch die Drehmomente auftretenden Torsionen der Welle werden gemäß der Schrift durch eine Verschiebung von vorher an der Welle angebrachten Marken bestimmt. Die Größe der Verschiebung gibt an, wie stark die Welle tordiert ist, so dass Rückschlüsse auf die einzelnen Leistungen der Turbinen gezogen werden können.
Die sehr geringen Torsionen von großen Kraftwerkswellen erfordern ein hochpräzises Anbringen sehr kleiner Marken, deren Abmessungen in der Größenordnung der Torsionsamplituden lie- gen müssen. Eine nach dem Stand der Technik ausgestaltete
Vorrichtung ist damit äußerst empfindlich gegenüber Vibrationen und dem Spiel der Welle. Messungen können durch diese Einflüsse erheblich verfälscht oder gar unbrauchbar gemacht werden. Aus DE 35 17 889 AI und DE 199 32 965 AI sind Vor- richtungen offenbart, mit der in Wellen auftretende Torsionen mittels einer Messvorrichtung, die auf einem Moire-Muster- Prinzip beruht, nachgewiesen werden können. Kräfte in Wellen, die durch auf die Wellen wirkende Drehmomente hervorgerufen werden, können auch mit magnetoelastischen Sensoren bestimmt werden. Ein solcher Sensor arbeitet nach dem so genannten magnetoelastischen Effekt. Zur grundlegenden Funktionsweise sei hierzu auf das Buch „Sensors", Vol. 5 (Magnetic Sensors), VCR-Verlagsgesellschaft, Wemheim (DE), 1989, Kapitel 4, Seiten 97 bis 152 verwiesen. Ein magnetoelastischer Sensor ist unter anderem in der Lage, die Differenz der mechanischen Zug- und Druckspannung bei Drehmomenteinwirkung auf eine Wel- le in der Wellenoberfläche zu erfassen. Dabei wird die auf die Zug- und Druckspannung zurückzuführende Änderung der magnetischen Permeabilität ausgenutzt. Ein entsprechender, berührungslos arbeitender Sensor ist dem Datenblatt: „Drehmomentsensor 2000, dat_20000404" der Firma „ProTurbo Uberwa- chungssysteme GmbH, 40883 Ratingen (DE)" zu entnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik eine bezüglich der genannten Einflüsse weniger empfindliche und dennoch präzisere Messvorrichtung in Aussicht stellt, die zudem flexibeler zu handhaben und kostengünstiger zu installieren ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den in Anspruch 1 oder 6 angegebenen Maßnahmen gelost.
In einer ersten Losung ist die Erfindung mit den eingangs genannten Merkmalen gekennzeichnet dadurch, dass eine dem jeweiligen Drehmoment proportionale Torsion des entsprechenden Wellenteiles mit Hilfe mindestens eines optischen Sensors zu bestimmen ist.
Vorteil dieser Vorrichtung ist die Möglichkeit, für Anlagen in Einwellenkonflguration, an denen an einer Welle mehrere Betriebsmittel angeordnet sind, eine Online-Auswertung des
Leistungsvermögens der Betriebsmittel mit betrieblicher Messtechnik durchzuführen. Sie weist dabei nahezu dieselbe Genau- igkeit auf, wie bei Anlagen, die von nur ein Betriebsmittel über eine Welle angetrieben werden. Die hohe Exaktheit der Torsionsmessungen und der daraus abgeleiteten Leistungsmes¬ sungen wird durch ein einfaches, unempfindlich arbeitendes optisches Sensorsystem gewährleistet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor.
So kann der optische Sensor ein Moire-Interferenz-Sensor sein. Mit einem Moire-Interferenz-Sensor lassen sich kleinste Verschiebungen auf einfachstem Wege visualisieren.
Hierzu ist es besonders vorteilhaft, dass der Moire-Interferenz-Sensor aus zwei in einem Abstand parallel zueinander stehenden Scheiben mit radial ausgestalteten Strichskalen mit jeweils unterschiedlicher Strichperiode, so dass ein Moire- Muster erzeugbar ist, besteht, die derart an den jeweiligen Wellenabschnitt angeordnet sind, dass ein Abstand zwischen ihren beiden Fixierungen gegeben ist, so dass durch die Torsion des Wellenabschnittes innerhalb des Abstandes die beiden Scheiben relativ zueinander verdreht werden und sich dadurch das Moire-Muster verändern kann, was mittels einer Detektor- Vorrichtung zu erfassen ist. Durch die Wahl der unterschiedlichen Strichperioden kann die Empfindlichkeit der Messung über einen weiten Bereich möglichst einfach eingestellt werden. Damit ist die Vorrichtung sowohl für Anwendungen mit relativ großer Torsionsamplitude als auch für Anwendungen mit sehr kleiner Torsionsamplitude denkbar. Die Beschränkung nach unten wird erst durch die Grenzen der Mikrostrukturierung gegeben. Je näher der Betrag von (1-N]./N2) an Null heranreicht, desto kleinere Torsionsamplituden können gemessen werden. Nx ist dabei die Zahl der Striche auf einer von beiden Scheibe, während N2 die Zahl der Striche auf der anderen Scheibe ist. Eine weitere Einstellmöglichkeit der Empfindlichkeit ergibt sich in vorliegender Erfindung durch die Wahl des Abstandes der Fixierung der beiden Scheiben auf der Welle. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Moire-Muster-Veränderung sozusagen eine vielfache Verstärkung der Torsions¬ amplitude darstellt. Damit ist diese Vorrichtung unempfind- lieh gegenüber Schwingungen oder dem Spiel der Welle, die in der Größenordnung der Torsionsamplitude oder größer liegen können.
Hierzu ist es besonders vorteilhaft, dass beide Scheiben für Licht transparent sind und der Detektor aus einer optischen Sendeeinheit und einer Empfangseinheit besteht, derart ange¬ ordnet, dass die Veränderung des Moire-Musters durch Trans¬ mission von Licht durch die beiden Scheiben zu erfassen ist. Diese Ausgestaltung lässt eine möglichst einfach zu realisie- rende Installation der Messvorrichtung zu.
Hierzu ist es auch vorteilhaft, dass eine Scheibe für Licht transparent ist, während die andere Scheibe für Licht reflektierend ist und der Detektor aus einer kombinierten Sende- und Empfangseinheit besteht, derart angeordnet, dass Licht, ausgesandt von der Sende- und Empfangseinheit durch die transparente Scheibe auf die zweite Scheibe trifft, dort zur Sende- und Empfangseinheit reflektiert wird und somit die Veränderung des Moire-Musters zu erfassen ist. Diese Platz sparende Ausgestaltungsform ist besonders vorteilhaft für Turbinen-Anlagen mit relativ kurzen Wellenteilen.
In einer zweiten Lösung ist die Erfindung mit den eingangs genannten Merkmalen gekennzeichnet dadurch, dass eine dem je- weiligen Drehmoment proportionale mechanische Spannung des entsprechenden Wellenteiles mit Hilfe mindestens eines magnetischen Sensors zu bestimmen ist.
Vorteil dieser Vorrichtung ist die Möglichkeit, für Anlagen in Einwellenkonfiguration, an denen an einer Welle mehrere Betriebsmittel angeordnet sind, eine Online-Auswertung des Leistungsvermögens der Betriebsmittel mit betrieblicher Mess- technik durchzuführen. Sie weist dabei nahezu dieselbe Genauigkeit auf, wie bei Anlagen, die von nur einem Betriebsmittel über eine Welle angetrieben werden. Die hohe Exaktheit der mechanischen Spannungsmessungen und der daraus abgeleiteten Leistungsmessungen wird durch ein einfaches, unempfindlich arbeitendes magnetisches Sensorsystem gewährleistet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung gehen aus den von Anspruch 6 abhängigen Ansprüchen her- vor.
So kann der mindestens eine magnetische Sensor ein magneto¬ elastischer Sensor sein. Da der magnetoelastische Sensor empfindlich ist auf die in dem entsprechenden Wellenteil herr- sehenden mechanischen Zug- und Druckspannungen, lässt sich trotz sehr geringer Torsionen von großen Kraftwerkswellen ein Drehmoment ermitteln. Da die Drehmomentmessung zudem berührungslos verläuft, brauchen keine mechanischen Veränderungen am entsprechenden Wellenteil vorgenommen zu werden, und es müssen auch keine zusätzlichen Bauteile zur Messung an den entsprechenden Wellenteil angebracht werden. Darüber hinaus wird für eine Installation des magnetoelastischen Sensors nur ein freier Wellenteilabschnitt von etwa 10 cm in Längsrichtung des Wellenteils benötigt.
Hierzu ist es besonders zweckmäßig, die erfindungsgemäße Vor¬ richtung mit einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Aufbereitung von Messsignalen des mindestens einen magnetoelastischen Sensors auszuführen. In der Regel sind die direkt vom mindestens einen magnetoelastischen Sensor gelieferten Messsignale nicht geeignet für eine direkte Weitergabe an Pro- zesssteuerungssysteme, mit denen beispielsweise Gas- und Dampfturbinenanlagen überwacht und gesteuert werden. Mit der Signalverarbeitungseinrichtung können die Messsignale zu für die Prozesssteuerungssysteme geeigneten Signalen aufbereitet werden. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung mit mindestens einer Temperaturmesseinrichtung zur Bestimmung der Temperatur des entsprechenden Wellenteils und des magnetoelastischen Sensors ausgeführt sein. Hierzu kommen beispiels- weise Infrarot-Thermometer in Frage, die zur berührungslosen Temperaturmessung die abgestrahlte Wärmestrahlung empfangen und auswerten. Da die Temperatur des Messobjektes und auch des mindestens einen magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Sensors selbst das Messergebnis beeinflussen, müssen die vorherrschenden Temperaturen beobachtet werden, um die Messergebnisse richtig interpretieren zu können. So können besonders Maßnahmen wie z.B. Kühlungen von entsprechenden Bauteilen veranlasst werden, um beispielsweise den mindestens einen magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Sensor auf konstanter Temperatur zu halten.
Dabei ist es zweckmäßig, dass die Signalverarbeitungseinrichtung Mittel zur Kompensation von auf Temperaturänderungen des entsprechenden Wellenteils zurückführbaren Messsignaländerun- gen aufweist. Somit können auf besonders einfache Weise Messsignalabweichungen, die auf eine Temperaturdrift des mindestens einen magnetoelastischen Sensors und des entsprechenden Wellenteils zurückzuführen sind, bei der Messsignalaufbereitung korrigiert werden. Da die Korrektur bei der Signalverar- beitung des Messsignals geschieht, kann unmittelbar auf Temperaturfluktuationen reagiert werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit mindestens einer Abstandsmesseinrichtung zur Bestim- mung des Abstandes des mindestens einen magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Sensors zum entsprechenden Wellen¬ teil auszuführen. Auch der Abstand zwischen dem mindestens einen magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Sensor und der entsprechenden Wellenoberfläche beeinflusst das Mess- ergebnis empfindlich, so dass sich Abstandsänderungen, beispielsweise hervorgerufen durch Vibrationen oder dem Spiel der Welle, bedeutend auf das vom mindestens einen magneti- sehen, insbesondere magnetoelastischen Sensor gelieferte Messsignal auswirken. Die Kenntnis des momentanen Abstandes kann in die Auswertung der Messergebnisse einfließen, um Fehlinterpretationen zu vermeiden.
Somit ist es zweckmäßig, dass die Signalverarbeitungseinrichtung Mittel zur Kompensation von auf Abstandsänderungen des mindestens einen magnetoelastischen Sensors zum entsprechenden Wellenteil zurückführbaren Messsignaländerungen aufweist. Da die Kompensation bei der Signalverarbeitung des Messsig¬ nals geschieht, können die auf die Abstandsänderungen zurückführbaren Messsignaländerungen unmittelbar bei der Messsignalaufbereitung korrigiert werden. Dies eignet sich insbesondere bei schnellen Abstandsänderungen, wie sie durch Wellen- Vibrationen hervorgerufen werden.
Günstig ist es aber auch, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit mindestens einem auf den mindestens einen magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Sensor wirkenden Stellmotor zur Änderung des Abstandes des mindestens einen magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Sensors zum entsprechenden Wellenteil auszuführen. Mit dem mindestens einen Stellmotor ist eine mechanische Nachführung des mindestens einen magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Sensors möglich, mit der vor allem größere Abstandsänderungen, wie sie bei einem Spiel der Welle vorliegen kann, korrigiert werden können. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn der Abstand zwischen dem mindestens einen magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Sensor und der entsprechenden Wellenoberfläche zeit- weise so groß werden kann, dass eine einem magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Effekt zugrunde liegende Messung mit dem mindestens einen magnetischen, insbesondere magnetoelastischen Sensor nicht mehr möglich ist. Diese Kompensationsmöglichkeit der Messsignaländerungen kann als Ergänzung zur vorgenannten, in der Signaleinrichtung realisierten Möglichkeit zur Kompensation von auf Temperaturänderungen zu- rückführbaren Messsignaländerungen verstanden werden oder aber auch hierzu alternativ bzw. redundant eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung gemäß der genannten ersten oder zweiten Lösung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
So können die wenigstens beiden Betriebsmittel Strömungsma¬ schinen sein. Dies ist die am häufigsten anzutreffende Aus- führungsform von Betriebsmitteln, die über eine Welle eine Maschine antreiben.
Vorteilhafterweise können hierzu die wenigstens beiden Strömungsmaschinen eine Gas- und eine Dampfturbine sein, während die Maschine ein Generator ist. Dies ist eine häufig anzu¬ treffende Ausgestaltung, wie man sie in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken findet.
Hierzu ist es vorteilhaft, dass der Generator zwischen den beiden Strömungsmaschinen angeordnet ist, wobei jeweils mindestens ein optischer Sensor zwischen den Strömungsmaschinen und dem Generator angeordnet ist. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass die auf die Welle wirkenden Kräfte über die gesamte Welle gleichmäßiger verteilt sind, da jeder Wel- lenteil nur von einer Turbine angetrieben wird. Dies bedeutet für die Welle eine geringere Belastung, so dass sie insgesamt mit geringerem Gewicht ausgebildet werden kann.
Hierzu ist es besonders vorteilhaft, dass die Leistung PDT der Dampfturbine und die Leistung PGT der Gasturbine aus einem zu erfassenden Drehmoment MGτ der Gasturbine, einem zu erfassenden Drehmoment MDT der Dampfturbine und einer zu erfassenden Gesamtklemmenleistung PGer, des Generators gemäß der M M Gleichungen PDT = PGen —— und PGT = PGen —— z bestim- GT DT ^GT DT men sind. Mit diesen einfachen Gleichungen erhält man mit we- nig Rechenaufwand die erwünschten Leistungswerte der Gas- und Dampfturbine in vorstehender Anordnung.
Vorteilhaft kann auch die Dampfturbine zwischen der Gasturbi- ne und dem Generator angeordnet sein, wobei jeweils mindestens ein optischer Sensor zwischen Gasturbine, Dampfturbine und Generator angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung können weniger aufwendige Generatoren verwendet werden, bei deren Konstruktion man keine durchgehende Welle berücksichtigen muss.
Hierfür ist es besonders vorteilhaft, dass die Leistung PDT der Dampfturbine und die Leistung PGT der Gasturbine aus einem zu erfassenden Drehmoment MGT der Gasturbine, einem zu erfassenden Drehmoment MDG am Wellenteil zwischen Dampfturbi¬ ne und Generator und einer zu erfassenden Gesamtklemmenleis- tung PGen des Generators gemäß der Gleichungen
PDT = PGen (1 zu bestimmen sind. Mit
Figure imgf000012_0001
diesen beiden einfachen Gleichungen erhält man mit wenig Re- chenauf and die erwünschten Leistungswerte der Gas- und Dampfturbine in vorstehender Anordnung.
Vorteilhaft kann auch die Gasturbine zwischen der Dampfturbi¬ ne und dem Generator angeordnet sein, wobei jeweils mindes- tens ein optischer Sensor zwischen Dampfturbine, Gasturbine und Generator angeordnet ist. Auch bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung können weniger aufwendige Generatoren verwendet werden, bei deren Konstruktion man keine durchgehende Welle berücksichtigen muss.
Hierzu ist es vorteilhaft, dass die Leistung PDT der Dampfturbine und die Leistung PGT der Gasturbine aus einem zu er¬ fassenden Drehmoment MDT der Dampfturbine, einem zu erfassenden Drehmoment MGG am Wellenteil zwischen Gasturbine und Ge- nerator und einer zu erfassenden Gesamtklemmenleistung PGen M des Generators gemäß der Gleichungen PGT = PGen (1 —) und M. DT = PGen 1-Ξ1- zu bestimmen sind. Mit diesen einfachen Glei¬ M- chungen erhält man mit wenig Rechenaufwand die erwünschten Leistungswerte der Gas- und Dampfturbine in vorstehender Anordnung.
Es auch denkbar, zur Drehmomentmessung sowohl ein optischer als auch ein magnetischer Sensor zu verwendet. Beispielsweise könne dabei beide Sensoren redundant das an einem Wellenteil vorliegende Drehmoment messen.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei- spiele der Vorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Veranschaulichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind sc e- matisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigt
Figur 1 eine Einwellenanlage, bei der ein Generator zwischen einer Gasturbine und einer Dampfturbine angeordnet ist, Figur 2 eine Einwellenanlage, bei der eine Dampfturbine zwischen einem Generator und einer Gasturbine angeordnet ist, Figur 3 eine Einwellenanlage, bei der eine Gasturbine zwischen einem Generator und einer Dampfturbine ange- ordnet ist,
Figur 4 einen Moire-Interferenz-Sensor in Transmissionsausgestaltung, Figur 5 einen Moire-Interferenz-Sensor in Reflexionsausgestaltung, Figur 6 einen Moire-Interferenz-Sensor, der als Zwischenstück einer Welle einer Einwellenanlage ausgestaltet ist, Figur 7 einen Moire-Interferenz-Sensor, der als Aufsteckteil für eine Welle einer Einwellenanlage ausgestaltet ist in der Seitenansicht, Figur 8 einen Moire-Interferenz-Sensor, der als Aufsteckteil für eine Welle einer Einwellenanlage ausgestaltet ist im Querschnitt,
Figur 9 eine Drehmomentmessvorrichtung mit magnetoelastischem Sensors, elektronischer Temperaturdriftkompensation und elektronischer Abstandskorrektur und
Figur 10 eine Drehmomentmessvorrichtung mit magnetoelastischem Sensors, elektronischer Temperaturdriftkompensation und mechanischer Abstandskorrektur.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 10 mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figuren 1 bis 3 zeigen drei Varianten von Einwellenanlagen mit einer Maschine 4 und Betriebsmitteln 1 und 8, insbesondere Strömungsmaschinen. Mit Figur 1 ist eine Einwellenanlage dargestellt, bei der ein Generator 4 zwischen einer Gasturbine 1 und einer Dampfturbine 8 angeordnet ist. Figur 2 zeigt eine Einwellenanlage, bei der eine Dampfturbine 8 zwischen einem Generator 4 und einer Gasturbine 1 angeordnet ist, wäh¬ rend Figur 3 eine Einwellenanlage darstellt, bei der eine Gasturbine 1 zwischen einem Generator 4 und einer Dampfturbine 8 angeordnet ist. In den Figuren sind bezeichnet mit 1 eine Gasturbine, 2 und 11 Wellenteile zwischen Gasturbine und Generator, 3 eine Drehmomentmessvorrichtung für den Leistungsanteil der Gasturbine in Form eines optischen Sensors, 4 ein Generator, 5 und 9 Wellenteile zwischen Dampfturbine und Generator, 6 eine Drehmomentmessvorrichtung für den Leistungsanteil der Dampfturbine in Form eines optischen Sensors, 7 eine optionale Kupplung, 8 eine Dampfturbine sowie 10 eine Drehmomentmessvorrichtung für die Gesamtleistung am Generator.
Wie den Figuren 1 bis 3 zu entnehmen ist, sind an den ent- sprechenden Wellenteilen 2, 5, 9 und 11 zwischen den Komponenten Gasturbine 1, Dampfturbine 8 und Generator 4 Messvorrichtungen in Form optischer und/oder magnetischer Sensoren 3, 6 und 10 zur jeweiligen Bestimmung der Torsion und/oder von mechanischen Spannungen und damit von Drehmomenten in- stalliert. Die mechanischen Spannungen in den Wellenteilen 2, 5, 9 und 11, die Torsion und die auf die Wellenteile 2, 5, 9 und 11 wirkenden Drehmomente sind zueinander direkt proporti¬ onal. Das Verhältnis der Drehmomente, die die Wellenteile 2, 5, 9 und 11 von der Gasturbine 1 und der Dampfturbine 8 er- fahren, ist ein direktes Maß für die Aufteilung der Leistungsanteile von Gasturbine 1 und Dampfturbine 8.
Ist der Generator 4 in der Mitte angeordnet, wie in Figur 1 dargestellt, können den beiden Wellenteilen 2 und 5 links und rechts vom Generator die Gasturbine 1 und die Dampfturbine 8 direkt zugeordnet werden. Es gilt der folgende Berechnungsgang:
Aus M P Gleichung 1 : — &- = -^- und M 1 DT P DT
Gleichung 2 : PGen = PGT + P DT
lassen sich die Leistungsanteile der Gasturbine 1 und der Dampfturbine 8 ableiten zu
M
Gleichung 3 : PGτ = Pcen — — und M "GT +M DT M.
Gleichung 4 : PDT = P Gen M ± 1GT + TMi JDI
Der entsprechende Brennstoffmassenstrom für die Gasturbine 1 wird dabei indirekt durch Anwendung eines Gasturbinenthermo- dynamik-Simulationsmodells ermittelt. Bei der Berechnung gehen unter anderem Parameter ein, welche die Umgebungsbedingungen wiedergeben. Das sind beispielsweise die Umgebungstemperatur, der Umgebungsluftdruck, die relative Luftfeuchtig- keit und Verluste, wie beispielsweise Druckverluste in der Ansaug- und Abgasstrecke der Turbine.
Ist der Generator 4 an einem Ende angeordnet, wie in Figur 2 und Figur 3 dargestellt, wird an den Wellenteil 9 und 11, der unmittelbar an den Generator 4 anschließt, das Gesamtdrehmo¬ ment MDG bzw. McG übertragen. Für die in Figur 2 dargestellte Anordnung ergeben sich mit
M P Gleichung 5: — — - -~^ - M„
und Gleichung 2 die entsprechenden Turbinenleistungen zu
M Gleichung 6 : PGT = PGen —— und MiαDG M
Gleichung 7: PDT = PGen ( 1- -^L) M
Entsprechend lassen sich die Turbinenleistungen für die An¬ ordnung, wie in Figur 3 dargestellt, analog berechnen mit
Gleichung 8: —^ = -03- ^GG -""Gen
und Gleichung 2 zu
M Gleichung 9 : PGτ = cen ( 1 — ) und Mn
Gleichung 7 : P T = P Gen MGG
In den vorangehenden Gleichungen 1 bis 10 wird mit c das gemessene Drehmoment auf dem Wellenteil 2 zwischen Gasturbine 1 und Generator 4,
MDT das gemessene Drehmoment auf dem Wellenteil 5 zwischen Dampfturbine 8 und Generator 4, MDG das gemessene Gesamtdrehmoment auf dem Wellenteil 9 zwischen Dampfturbine 8 und Generator 4,
McG das gemessene Gesamtdrehmoment auf dem Wellenteil 11 zwischen Gasturbine 1 und Generator 4,
PGT die Leistung der Gasturbine 1, PDT die Leistung der Dampfturbine 8 und
PGen die gemessene Generatorklemmenleistung verstanden.
Ist es aus Platzgründen nicht möglich, eine Drehmomentmessung auf einer Turbinenseite, beispielsweise der Dampfturbinenseite 8, zu realisieren, so lässt sich das Verfahren auf im Folgenden offenbarter Weise zur Online-Bestimmung der Leistung der anderen Turbine nutzen, auch wenn lediglich die Drehmomentmessung am Wellenteil 2 und 11 der anderen Turbine, hier Gasturbine 1, durchgeführt werden kann:
Mit einer optional angeordneten Kupplung 7, die in Figur 1 dargestellt ist, kann die Dampfturbine 8 ausgekuppelt werden. Im Solobetrieb der Gasturbine 1, in dem die angezeigte Gene- ratorklemmenleistung ausschließlich den Leistungsanteil der Gasturbine 1 widerspiegelt, wird eine Kennlinie des Drehmo¬ mentes in Abhängigkeit der Generatorklemmenleistung aufgenommen. Im Betrieb mit Gasturbine 1 und Dampfturbine 8 wird dann auf der Gasturbinenwelle 2 das Drehmoment gemessen und eine weitere Kennlinie aufgenommen. Durch Vergleich beider Kennlinien kann sofort der zugehörige Generatorklemmenleistungsan- teil der Gasturbine 1 bestimmt werden.
Bei Einwellenanlagen, bei denen keine Kupplung 7 angeordnet werden kann, muss an einer typgleichen Gasturbinen-Generatorkombination ohne Dampfturbinen-Teil die entsprechende Kennli- nie erstellt werden, um diese dann auf die entsprechende Ein- wellen-Gas- und Dampfturbinen-Anlage zu übertragen.
In den Figuren 4 bis 8 sind Ausführungsformen eines Moire- Interferenz-Sensors dargestellt. Dabei sind in den Figuren bezeichnet mit
11 eine transparente Scheibe mit der Strichzahl Ni, 12 eine transparente Scheibe mit der Strichzahl N2, 13 eine Fixierung des Drehmomentsensors,
14 eine optische Sendeeinheit,
15 eine optische Empfangseinheit,
16 ein Wellenteil,
17 eine Torsionsstrecke, 18 eine Rotationsrichtung der Welle,
19 eine integrierte optische Sende- und Empfangseinheit,
20 eine Strichskala,
21 von der Sendeeinheit abgestrahltes Licht,
22 ein in Richtung der Empfangseinheit strahlender Lichtan- teil,
23 ein Anschlussflansch an das Wellenteil,
24 eine reflektierende Scheibe mit der Strichzahl Nx und
25 eine Befestigung.
Bei dem Moire-Interferenz-Sensor wird zunächst eine Torsionsstrecke 17 auf dem Wellenteil 16 vorausgesetzt, auf dem der Sensor angeordnet ist. An den beiden Enden der Torsionsstrecke 17 sind über entsprechende Hilfskonstruktionen auf Scheiben 12, 11 bzw. 24 angebrachte, radial ausgestaltete Strich- Skalen 20 positioniert. Die Scheiben 12, 11 bzw. 24 sind auf gleicher Länge mit Strichskalen 20 leicht unterschiedlicher Strichzahl Ni und N2 versehen. So kann eine Skala 20 beispielsweise
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Striche enthalten, während es bei der an¬ deren N2=101 Striche sind. Die beiden Scheiben 12, 11 bzw. 24 werden dicht beieinander platziert. Wird von außen ein Licht¬ strahl 21 auf die Anordnung gelenkt, durchläuft er beide Scheiben 12, 11 bzw. 24 und wird je nach Lage der Striche auf den Skalen 20 durchgelassen, leicht geschwächt oder vollständig ausgeblendet. Die sich aus der Überlagerung der beiden Skalen 20 ergebenden Muster sind durch Hell-Dunkelbereiche gekennzeichnet. Aufgrund der verschiedenen Perioden der bei- den Skalen 20 ergibt sich folgende Eigenschaft für die Lage der Hell-Dunkelbereiche. Verschieben sich die beiden Skalen 20 durch Torsion um einen Strich gegeneinander, so macht der Dunkelbereich etwa einen Umlauf entlang der Skala 20 auf der Scheibe 12. Der Dunkelbereich dient nun als Skala, so dass die einzelnen Striche nicht einzeln detektiert werden müssen. Durch diesen Effekt lässt sich der Torsionswinkel fast beliebig vergrößern und die Torsion leichter ablesen. Die Ablesung von außen kann über die Messung des von der Skala 20 zurückkommenden Lichtes 22 erfolgen. Die Zahl der Hell-Dunkelmaxima ist durch die Differenz der Strichzahlen der beiden sich überlagernden Skalen 20 gegeben. Somit muss je nach Zahl der benötigten Messpunkte über einen vollen Umfang, die durch die Maxima gegeben sind, die Anzahl der Striche auf den Skalen 20 absolut und relativ zueinander variiert werden.
Um die relative Verschiebung der Maxima zu erfassen, kann auch eine zweite Doppelskala mit vertauschten Perioden be¬ nutzt werden. Auf dieser zweiten Doppelskala bewegen sich die Maxima bei Torsion entgegengesetzt zur anderen Skala 20. Bei nicht bekanntem Drehwinkel ist somit die Relativlage der Maxima beider Doppelskalen ein Maß für die Torsion.
Weiter ist auch möglich, für das vorliegende Prinzip Skalen 20 zu verwenden, die nicht optisch, sondern auf elektrischen Prinzipien, auf mechanischen Prinzipien oder auf Ultraschall basieren. Bei den elektrischen Prinzipien sind kapazitive und bei den mechanischen Prinzipien akustische Messmethoden vorstellbar. Prinzipiell sind auch Skalen 20 mit veränderter Periode denkbar.
Mit der Empfängereinheit 15 bzw. 19 müssen nicht die sehr kleinen, im Allgemeinen „schnell" vorbeieilenden Einzelstri- ehe detektiert werden, sondern nur die räumlich ausgedehnten Hell-Dunkelmaxima. Dafür müssen die Empfängersignale mit wesentlich niedrigerer Grenzfrequenz ausgewertet werden. Die absolute Lage des Hell-Dunkelmusters relativ zur Winkelposi- tion des Wellenteils 16 bzw. die relative Phase zwischen den Mustern zweier Skalen 20 ist ein Maß für die Torsion und somit das Drehmoment. Diese Information wird bereits auf dem Wellenteil 16 generiert. Sie kann mit optischen oder bildtechnischen Methoden von außen während der Drehbewegung oder auch im Stand erfasst werden. Dazu wird beispielsweise ein Lichtstrahl 21 von einer feststehenden Sende- 14 und Empfangseinheit 15 bzw. 19 auf die Moire-Skala gelenkt und das dort modulierte Licht mittels einer oder mehrerer Photodetektoren erfasst. Dabei kann vergleichbar zum Lichtschranken- prinzip einmal in Transmission mit getrennter Sendeeinheit 14 und Empfangseinheit 15, wie in Abbildung 4 dargestellt, oder in Reflexion mit kombinierter Sende- und Empfangseinheit 19, wie in Abbildung 5 dargestellt, gemessen werden. Aus den Pho¬ todetektorsignalen und der Drehgeschwindigkeit kann auf elektronischem Wege die Verschiebung der Hell-Dunkelzonen ermittelt werden. Da die Signale quasi kontinuierlich vorlie¬ gen, kann dies entsprechend kontinuierlich erfolgen. Um beim bewegten Sensor das Drehmoment aus einem Zeitsignal zu gewinnen, muss zusätzlich der absolute Drehwinkel mit erfasst wer- den. Arbeitet man mit zwei entgegenlaufenden Doppelskalen, kann der relative Abstand als Maß für das Drehmoment benutzt werden, dabei geht dann lediglich die Drehgeschwindigkeit ein.
In den Figuren 6 bis 8 sind zwei Ausführungsformen zum An¬ bringen der Messvorrichtung 3, 6 und 10 an Wellenteilen 16 dargestellt. Figur 6 zeigt einen Drehmomentsensor 3, 6 und 10, der als Zwischenstück zwischen zwei Wellenteilen 16 ausgestaltet ist. Die Anschlüsse an die jeweiligen Wellenteile 16 erfolgen dabei über zwei Flansche 23, mit denen die Messvorrichtung an die Wellenteile 16 beispielsweise verschraubt werden kann. Die in Figur 7 und 8 dargestellte Ausführungsform des Drehmomentsensors 3, 6 und 10 ist als Aufsteckteil ausgeführt. Figur 7 zeigt die Seitenansicht, während Figur 8 den Quer- schnitt eines Teiles der Messvorrichtung 3, 6 und 10 darstellt. Je nach Lage der Fixierungen 13, beispielsweise Schrauben, längs des Wellenteiles 16, kann die Torsionsstrecke 17 frei eingestellt werden. Zur einfachen Installation ist die Messvorrichtung 3, 6 und 10, wie in Figur 8 darge- stellt, in zwei einander entsprechenden Teilen ausgeführt, die nach dem Anbringen an das Wellenteil 16 mit entsprechen¬ den Mitteln zur Befestigung 25 miteinander befestigt werden können. Als Mittel zur Befestigung kommen beispielsweise Schrauben oder Klemmen in Frage.
In Figur 9 ist eine Drehmomentmessvorrichtung mit einem magnetoelastischen Sensor 30 schematisch dargestellt. Bei dem verwendeten Sensor handelt es sich beispielsweise um eine Ausführungsform, wie sie im vorgenannten Datenblatt: „Drehmo- mentsensor 2000, dat_20000404" der Firma „ProTurbo Überwachungssysteme GmbH, 40883 Ratingen (DE)" beschrieben ist. Der magnetoelastische Sensor 30 arbeitet berührungslos und ist in einem Abstand d von ca. 0,75 mm von der Wellenteiloberfläche 016 entfernt angeordnet. Weiter ist beim magnetoelasti- sehen Sensor 30 eine Temperaturmesseinrichtung 50 derart angeordnet, dass die Temperatur des Wellenteils 16, insbesondere der Wellenteiloberfläche 016, und des Sensors 30 während der Messung ermittelt werden kann. Als Temperaturmesseinrichtung 50 kommt beispielsweise Infrarot-Thermometer mit einem Infrarot-Strahlungsempfänger in Frage. Beim magnetoelastischen Sensor 30 ist zudem eine Abstandsmesseinrichtung 40 derart angeordnet, dass der Abstand d zwischen magnetoelastischem Sensor 30 und Wellenteiloberfläche 16 während der Mes¬ sung ermittelt werden kann. Als Abstandsmesseinrichtung 40 kommt beispielsweise eine kapazitive Abstandsmesseinrichtung in Frage. Magnetoelastischer Sensor 30, Temperatur- und Ab- standsmessvorrichtung 50 und 40 sind dabei ortsfest angeord- net . Hierbei ist es beispielsweise besonders vorteilhaft, dass der magnetoelastische Sensor 30 und die Abstandsmesseinrichtung 40 ein gemeinsames Gehäuse aufweisen.
Bei einer Messung wird ein Messsignal S30 des magnetoelastischen Sensors 30 an eine Signalverarbeitungseinrichtung 60 übermittelt, in welcher es für die Auswertung in einem Pro- zesssteuerungssystem 70 aufbereitet wird.
Da magnetoelastische Sensoren in der Regel temperaturempfindlich sind, ist es bei einer Temperaturänderung während einer Messung vorteilhaft, das vom Sensor 30 gelieferte Messsignal S30 zu korrigieren. Hierzu wird das Messsignal S30 des magnetoelastischen Sensors 30 und ein Messsignale S50 der Tempera- turmesseinrichtung 50 an ein Mittel 61 zur Kompensation von auf Temperaturänderungen zurückführbaren Messsignaländerungen übermittelt. Mit Hilfe einer zuvor bei konstantem Abstand d des magnetoelastischen Sensors 30 zur Wellenteiloberfläche 016 ermittelten Temperaturdriftkennlinie des magnetoelasti- sehen Sensors 30 korrigiert dieses Kompensationsmittel 61 das Messsignal S30 bezüglich einer Temperaturänderung auf elektronischem Wege. Dieses korrigierte Messsignal S61 wird weiter an ein Mittel 62 zur Kompensation von auf Abstandsänderungen des magnetoelastischen Sensors 30 zum Wellenteil 16 zurück- führbaren Messsignaländerungen übermittelt. Das Messsignal
S40 mit der Abstandsinformation wird von der Abstandsmesseinrichtung 40 ebenfalls an das Kompensationsmittel 62 weitergegeben. Mittels einer zuvor bei konstanter Temperatur ermittelten Abstandsabhängigkeit des magnetoelastischen Sensors 30 zur Wellenteiloberfläche 016 kann eine Abstandskorrekturkenn- linie bestimmt werden, mit Hilfe dieser das Kompensationsmittel 62 das Messsignal S61 bezüglich einer Abstandsänderung ebenfalls auf elektronischem Wege korrigiert. Das Messsignal S62, das nun bezüglich einer Temperatur- und Abstandsänderung bereinigt ist, wird weiter an eine Signalverarbeitungseinheit 63 übermittelt, mit der es zu einem für die Verarbeitung im Prozesssteuerungssystem 70 geeigneten Signal S63 aufbereitet wird.
In Figur 10 ist analog zu Figur 9 eine Drehmomentmessvorrich- tung mit einem magnetoelastischen Sensor 30 schematisch dargestellt. Der wesentliche Unterschied zur Darstellung in Figur 9 besteht darin, dass mit diesem Ausführungsbeispiel mögliche Abstandsänderungen des magnetoelastischen Sensors 30 zur Wellenteiloberfläche 016 nicht auf elektronischem Wege kompensiert werden, sondern auf mechanischem Wege mittels eines Stellmotors 90. Dazu wird während einer Messung das Messsignal S40 mit der Information über den Abstand d von der Abstandsmesseinrichtung 40 an eine Steuereinheit 80 übermittelt. Mit der Steuereinheit 80 wird der momentane Wert des Abstandes d mit dem zuvor bestimmten Sollwert von beispiels¬ weise 0,75 mm verglichen und bei Abweichung der Stellmotor 90 zum Wiederherstellen des Abstandssollwertes entsprechend mittels eines Steuersignals S80 angesteuert. Je nach Ausführungsform kann die Abstandsmesseinrichtung 40 separat und un- abhängig vom magnetoelastischen Sensor 30 und Stellmotor 90 angeordnet sein, oder aber auch, wie im Ausführungsbeispiel in Figur 10 angedeutet, in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem magnetoelastischen Sensor 30 ausgebildet sein. Der Stellmotor 90 führt somit den magnetoelastischen Sensor 30 gemeinsam mit der Abstandsmesseinrichtung 40 entsprechend der Abstandsänderung nach.
Analog zum Ausführungsbeispiel aus Figur 9 wird das Messsig¬ nal S30 des magnetoelastischen Sensors 30 und das Messsignal S50 der Temperaturmesseinrichtung 50 an das Mittel 61 zur Kompensation von auf Temperaturänderungen zurückführbaren Messsignaländerungen übermittelt. Das dort bezüglich einer Temperaturänderung auf elektronischem Wege korrigierte Messsignal S61 wird dann der Signalverarbeitungseinheit 63 zur Signalaufbereitung zugeführt, von wo aus das aufbereitete Signal S63 an das Prozesssteuerungssystem 70 gesandt wird. Nicht dargestellt ist eine mögliche Ausführungsform, bei der zusätzlich vor die Signalverarbeitungseinheit 63, analog zum Ausführungsbeispiel aus Figur 9, das Kompensationsmittel 62 zur elektronischen Korrektur einer Abstandsänderung geschal- tet sein kann. Dies ist besonders dann sinnvoll und von Vorteil, wenn Abstandsänderungen mit hoher Frequenz vorliegen. So können beispielsweise bei Vibrationen des Wellenteils 16 derart hohe Frequenzen und damit derart hohe Abstandsände- rungsgeschwindigkeiten vorliegen, dass der Stellmotor 90 mit der Nachführung des magnetoelastischen Sensors 30 nicht nachkommt. Bei Abstandsänderungen mit großer Amplitude und niedriger Frequenz ist das mechanische Korrekturverfahren jedoch im Vorteil gegenüber der elektronischen Kompensationseinheit 62. Denn für den Fall, dass der Abstand d zwischen mag- netischem Sensor 30 und der Wellenteiloberfläche 016 größer wird als die Messreichweite, in der eine Messung nach dem magnetoelastischen Effekt noch möglich ist, kann der Sensor 30 mit dem Stellmotor 90 bis zum Erreichen der geforderten Messreichweite nachgeführt werden. Die elektronische Korrek- tureinheit 62 hingegen erhält in diesem Fall kein bzw. kein verwertbares Messsignal vom magnetoelastischen Sensor 30 und ist somit wirkungslos.
Für die Übermittlung der Messsignale S30, S40, S50, S61, S62, S63 und S80 sind vorzugsweise elektrische Leiter vorgesehen. Insbesondere zwischen dem magnetoelastischen Sensor 30, der Abstands- und Temperaturmesseinrichtungen 40 und 50 einerseits und der Signalverarbeitungseinrichtung 60 andererseits bzw. zwischen der Signalverarbeitungseinrichtung 60 und dem Prozesssteuerungssystem 70 sind für die Signalübermittlung aber auch Funk- und/oder Lichtübertragungseinrichtungen denkbar.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung von Leistungen wenigstens zweier Betriebsmittel (1, 8), die Rotationsenergie mittels einer gemeinsamen Welle mit gerichteter Achse an eine Maschine (4) übertragen, wobei jeweils ein jedem Betriebsmittel (1, 8) zugeordneter und in Richtung auf die Maschine (4) weisender Wellenteil (2, 5, 9, 11, 16) von seinem zugeordneten Betriebsmitteln (1, 8) ein Drehmoment erfährt, das ein Maß für die von dem jeweiligen Betriebsmittel (1, 8) abgegebene Leistung ist und das zu einer dem jeweiligen Drehmoment proporti¬ onalen Torsion dieses Wellenteiles (2, 5, 9, 11, 16) führt, die mit Hilfe mindestens eines optischen Sensors (3, 6, 10) zu bestimmen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (3, 6, 10) ein Moire-Interferenz-Sensor ist .
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Moire-Interferenz-Sensor aus zwei in einem Abstand parallel zueinander stehenden Scheiben (11, 24, 12) mit radial ausgestalteten Strichskalen (20) mit jeweils unterschiedlicher Strichperiode, so dass ein Moire-Muster erzeugbar ist, besteht, die derart an dem jeweiligen Wellenteil (16) ange¬ ordnet sind, dass ein Abstand (17) zwischen ihren beiden Fixierungen (13) gegeben ist, so dass durch die Torsion des durch den Abstand (17) gegebenen Wellenabschnittes innerhalb des Abstandes (17) die beiden Scheiben (11, 24, 12) relativ zueinander verdreht werden und sich dadurch das Moire-Muster verändern kann, was mittels einer Detektorvorrichtung zu er¬ fassen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Scheiben (11, 12) für Licht transparent sind und der
Detektor aus einer optischen Sendeeinheit (14) und einer Emp¬ fangseinheit (15) besteht, derart angeordnet, dass die Verän- derung des Moire-Musters durch Transmission von Licht (21, 22) durch die beiden Scheiben (11, 12) zu erfassen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Scheibe (12) für Licht transparent ist, während die andere Scheibe (24) für Licht reflektierend ist und der Detektor aus einer kombinierten Sende- und Empfangseinheit (19) besteht, derart angeordnet, dass Licht (21, 22), ausgesandt von der Sende- und Empfangseinheit (19) durch die transparen- te Scheibe (12) auf die zweite Scheibe (24) trifft, dort zur Sende- und Empfangseinheit (14) reflektiert wird und somit die Veränderung des Moire-Musters zu erfassen ist.
6. Vorrichtung zur Bestimmung von Leistungen wenigstens zwei- er Betriebsmittel (1, 8) , die Rotationsleistung mittels einer gemeinsamen Welle mit gerichteter Achse an eine Maschine (4) übertragen, wobei jeweils ein jedem Betriebsmittel (1, 8) zugeordneter und in Richtung auf die Maschine (4) weisender Wellenteil (2, 5, 9, 11, 16) von seinem zugeordneten Be- triebsmitteln (1, 8) ein Drehmoment erfährt, das ein Maß für die von dem jeweiligen Betriebsmittel (1, 8) abgegebene Leistung ist und das zu einer dem jeweiligen Drehmoment proportionalen mechanischen Spannung des Wellenteiles (2, 5, 9, 11, 16) führt, die mit Hilfe mindestens eines magnetischen Sen- sors (3, 6, 10) zu bestimmen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine magnetische Sensor (3, 6, 10) ein magnetoelastischer Sensor (30) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Signalverarbeitungseinrichtung (60) zur Aufbereitung von Messsignalen (S30) des magnetoelastischen Sensors (30) .
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeich¬ net durch mindestens eine Temperaturmesseinrichtung (50) zur Bestimmung der Temperatur des entsprechenden Wellenteils (2, 5, 9, 11, 16) und des magnetoelastischen Sensors (30) .
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (60) Mittel (61) zur Kompensation von auf Temperaturänderungen des entsprechenden Wellenteils (2, 5, 9, 11, 16) zurückführbaren Messsignaländerungen aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch mindestens eine Abstandsmesseinrichtung (40) zur Bestimmung des Abstandes (d) des mindestens einen magne¬ tischen Sensors (3, 6, 10, 30) zum entsprechenden Wellenteil (2, 5, 9, 11, 16) .
12. Vorrichtung nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 6 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (60) Mittel (62) zur Kompensation von auf Abstandsänderungen des mindestens einen magnetischen Sensors (3, 6, 10, 30) zum entsprechenden Wellenteil (2, 5, 9, 11, 16) zu¬ rückführbaren Messsignaländerungen aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch mindestens einen auf den mindestens einen mag- netischen Sensors (3, 6, 10, 30) wirkenden Stellmotor (90) zur Abstandsänderung des mindestens einen magnetischen Sensors (3, 6, 10, 30) zum entsprechenden Wellenteil (2, 5, 9, 11, 16) .
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens beiden Betriebsmittel (1, 8) Strömungsmaschinen sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens beiden Strömungsmaschinen eine Gasturbine (1) und eine Dampfturbine (8) sind und die Maschine ein Gene¬ rator (4) ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (4) zwischen den beiden Strömungsmaschinen (1, 8) angeordnet ist, wobei jeweils mindestens ein optischer Sensor (3, 6, 10) zwischen den Strömungsmaschinen (1, 8) und dem Generator (4) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung PDT der Dampfturbine (8) und die Leistung PGT der Gasturbine (1) aus einem zu erfassenden Drehmoment MGT der Gasturbine (1) , einem zu erfassenden Drehmoment MDT der Dampfturbine (8) und einer zu erfassenden Gesamtklemmenleis- tung PGen des Generators (4) gemäß der Gleichungen
Figure imgf000028_0001
zu bestimmen sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbine (8) zwischen der Gasturbine (1) und dem Generator (4) angeordnet ist, wobei jeweils mindestens ein optischer Sensor (3, 6, 10) zwischen Gasturbine (1), Dampfturbine (8) und Generator (4) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung PDT der Dampfturbine (8) und die Leistung PGT der Gasturbine (1) aus einem zu erfassenden Drehmoment MGT der Gasturbine (1), einem zu erfassenden Drehmoment MDG am Wellenteil (9) zwischen Dampfturbine (8) und Generator (4) und einer zu erfassenden Gesamtklemmenleistung PGen des Gene¬ rators (4) gemäß der Gleichungen M M PDT = PGen ( 1 - -^-) und PGT = Pc Gen M M zu bestimmen sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (1) zwischen der Dampfturbine (8) und dem Generator (4) angeordnet ist, wobei jeweils mindestens ein optischer Sensor (3, 6, 10) zwischen Dampfturbine (8), Gasturbine (1) und Generator (4) angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung PDT der Dampfturbine (8) und die Leistung PGT der Gasturbine (1) aus einem zu erfassenden Drehmoment MDT der Dampfturbine (8), einem zu erfassenden Drehmoment MGG am Wellenteil (11) zwischen Gasturbine (1) und Generator (4) und einer zu erfassenden Gesamtklemmenleistung PGen des Generators gemäß der Gleichungen M T ■ M GT = P - 'D Gen ( 1 - und PDι Gen MGG ^GG zu bestimmen sind.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2022945A1 (de) * 2007-08-10 2009-02-11 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Kraftwerksturbinenanlage sowie Regelungseinrichtung für eine Kraftwerkstrubinenanlage
EP2113742A1 (de) * 2008-04-30 2009-11-04 Baumer Electric AG Messvorrichtung mit Zwei-Kanal-Abtastung
CN110849518A (zh) * 2019-10-14 2020-02-28 中国北方发动机研究所(天津) 一种轴向力电磁平衡装置及测功机装置
CN114718667A (zh) * 2022-03-02 2022-07-08 北京迪比爱新能源科技有限公司 一种6mw抽凝式汽轮机快速启动控制方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006001343A1 (de) * 2006-01-11 2007-07-12 Ankuro Int. Gmbh Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der effektiven Leistung und/oder des Drehmoments und des Trägheitsmoments von rotierenden Maschinen und Mechanismen
DE102009008074A1 (de) * 2009-02-10 2010-08-12 Siemens Aktiengesellschaft Messanordnung und Verwendung zum Erfassen des Drehmomentes
DE202015105090U1 (de) 2015-02-18 2015-11-23 Methode Electronics Malta Ltd. Redundanter Drehmomentsensor - Multiple Bandanordnung
DE102015102337B4 (de) 2015-02-18 2016-11-17 Methode Electronics Malta Ltd. Redundanter Drehmomentsensor - Multiple Bandanordnung
DE102015122154B4 (de) 2015-12-17 2018-09-27 Methode Electronics Malta Ltd. Vorrichtung zur Feststellung externer magnetischer Streufelder auf einen Magnetfeldsensor

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60243531A (ja) * 1984-05-18 1985-12-03 Honda Motor Co Ltd 光学式トルク検出装置
US4637264A (en) * 1984-05-18 1987-01-20 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Optical torque detector
US4641027A (en) * 1984-12-18 1987-02-03 Battelle Memorial Institute Indicating positions
US4896544A (en) * 1986-12-05 1990-01-30 Mag Dev Inc. Magnetoelastic torque transducer
EP0523025A1 (de) * 1991-07-08 1993-01-13 Scan-Mag Sense AS Verfahren zum Messen eines Drehmomentes und/oder axialer Spannungen
US5452616A (en) * 1993-02-01 1995-09-26 Liberty Technologies, Inc. System for determining shaft load parameters including shaft windup angle per unit length, torque output and power output in a generally cylindrical rotating shaft
DE19932965A1 (de) * 1999-07-14 2001-01-25 Siemens Ag Optischer Drehmomentsensor mit MoirE-Musterdetektion und Nullpunktabgleich
EP0800645B1 (de) * 1994-12-27 2001-08-22 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer leistung
DE10334710A1 (de) * 2003-07-30 2005-03-03 Daimlerchrysler Ag Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments einer Welle

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60243531A (ja) * 1984-05-18 1985-12-03 Honda Motor Co Ltd 光学式トルク検出装置
US4637264A (en) * 1984-05-18 1987-01-20 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Optical torque detector
US4641027A (en) * 1984-12-18 1987-02-03 Battelle Memorial Institute Indicating positions
US4896544A (en) * 1986-12-05 1990-01-30 Mag Dev Inc. Magnetoelastic torque transducer
EP0523025A1 (de) * 1991-07-08 1993-01-13 Scan-Mag Sense AS Verfahren zum Messen eines Drehmomentes und/oder axialer Spannungen
US5452616A (en) * 1993-02-01 1995-09-26 Liberty Technologies, Inc. System for determining shaft load parameters including shaft windup angle per unit length, torque output and power output in a generally cylindrical rotating shaft
EP0800645B1 (de) * 1994-12-27 2001-08-22 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer leistung
DE19932965A1 (de) * 1999-07-14 2001-01-25 Siemens Ag Optischer Drehmomentsensor mit MoirE-Musterdetektion und Nullpunktabgleich
DE10334710A1 (de) * 2003-07-30 2005-03-03 Daimlerchrysler Ag Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments einer Welle

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
[Online] XP002349286 "AP01 Messung der mechanischen Wellenleistung an einem 750 MW Turbosatz" Gefunden im Internet: URL:http://www.proturbo.de/deutsch/ap01.ph p> *
[Online] XP002349287 Datenblatt Drehmomentsensor 2000 Gefunden im Internet: URL:http://www.proturbo.de/download/2000.p df> *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 010, Nr. 111 (P-451), 25. April 1986 (1986-04-25) & JP 60 243531 A (HONDA GIKEN KOGYO KK), 3. Dezember 1985 (1985-12-03) *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2022945A1 (de) * 2007-08-10 2009-02-11 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Kraftwerksturbinenanlage sowie Regelungseinrichtung für eine Kraftwerkstrubinenanlage
EP2113742A1 (de) * 2008-04-30 2009-11-04 Baumer Electric AG Messvorrichtung mit Zwei-Kanal-Abtastung
US8239161B2 (en) 2008-04-30 2012-08-07 Baumer Electric Ag Measuring device with two-channel sampling
EP2113742B1 (de) 2008-04-30 2015-11-18 Baumer Electric AG Messvorrichtung mit Zwei-Kanal-Abtastung
CN110849518A (zh) * 2019-10-14 2020-02-28 中国北方发动机研究所(天津) 一种轴向力电磁平衡装置及测功机装置
CN114718667A (zh) * 2022-03-02 2022-07-08 北京迪比爱新能源科技有限公司 一种6mw抽凝式汽轮机快速启动控制方法
CN114718667B (zh) * 2022-03-02 2023-11-17 北京迪比爱新能源科技有限公司 一种6mw抽凝式汽轮机快速启动控制方法

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