DE102016200311A1 - Sensor track, arrangement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorspur (SEN) für Wirbelstromanwendungen, sowie eine Anordnung mit einer derartigen Sensorspur. Zur Reduktion des elektrischen Rundlauffehlers wird vorgeschlagen, dass die Sensorspur (SEN) aus einem Stahl besteht, der eine austenitisch Kristallstruktur aufweist.The invention relates to a sensor track (SEN) for eddy current applications, as well as an arrangement with such a sensor track. To reduce the electrical runout, it is proposed that the sensor track (SEN) is made of a steel having an austenitic crystal structure.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorspur für Wirbelstromanwendungen. Daneben betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einer derartigen Sensorspur. The invention relates to a sensor track for eddy current applications. In addition, the invention relates to an arrangement with such a sensor track.

Das bevorzugt Anwendungsgebiet der Erfindung sind schnell rotierende Turbomaschinen. Die Rotoren dieser Anlagen drehen sich mit Geschwindigkeiten zwischen etwa 600–30000 U/min. In einem besonders bevorzugten Anwendungsgebiet der Erfindung sind diese Rotoren magnetgelagert. The preferred field of application of the invention are rapidly rotating turbomachines. The rotors of these systems rotate at speeds between about 600-30000 U / min. In a particularly preferred field of application of the invention, these rotors are magnetically supported.

Zur Maschinenüberwachung werden im Turbomaschinenbau in der Regel Wirbelstromsensoren verwendet. Mittels dieser Sensoren wird die radiale und/oder axiale Position des Rotors relativ zu stehenden Bauteilen ermittelt. Vorteile der Sensoren sind eine hohe Genauigkeit mit hoher Auflösung, eine hohe Bandbreite in Verbindung mit einer ausgeprägten Robustheit gegenüber Verschmutzungen in industriellen Anwendungen. For machine monitoring eddy current sensors are usually used in turbomachinery. By means of these sensors, the radial and / or axial position of the rotor is determined relative to stationary components. Advantages of the sensors are a high accuracy with high resolution, a high bandwidth in connection with a pronounced robustness against contamination in industrial applications.

Nachteilig an den Sensoren ist die Sensitivität der Wirbelströme gegenüber Materialinhomogenitäten, welche zu einem elektrischen Rundlauffehler führen (Electrical runout). Hersteller von schnellläufig rotierenden Maschinen müssen häufig die API 617 ( API Standard 617 – American Petroleum Institute) einhalten, welche die Summe aus mechanischem und elektrischem Rundlauffehler auf den größeren Wert von 25% der maximal erlaubten Schwingungsamplitude (Spitze-Spitze) und 6μm (0,25mil) begrenzt. Je nach Sensorspurmaterial und der Veränderung der Permeabilität und Leitfähigkeit über dem Umfang der Sensorspur, kann der daraus resultierende elektrische Anteil für Maschinenhersteller zum Problem werden. Eine Kompensation des elektrischen Rundlauffehlers durch z.B. einen "look up table" erweist sich in der Praxis als nicht sehr robust, da die elektromagnetischen Eigenschaften des Materials nicht langzeitstabil sind und sich die elektromagnetische Anisotropie durch mechanische Alterung ändert. A disadvantage of the sensors is the sensitivity of the eddy currents to material inhomogeneities, which lead to an electrical runout (Electrical runout). Manufacturers of high speed rotating machines often need the API 617 ( API standard 617 - American Petroleum Institute), which limits the sum of mechanical and electrical concentricity error to the larger value of 25% of the maximum permitted oscillation amplitude (peak-to-peak) and 6μm (0.25mil). Depending on the sensor track material and the change in permeability and conductivity over the circumference of the sensor track, the resulting electrical component for machine manufacturers may be a problem. A compensation of the electrical runout by, for example, a "look up table" proves to be not very robust in practice, since the electromagnetic properties of the material are not long-term stability and the electromagnetic anisotropy changes due to mechanical aging.

Bei magnetgelagerten Rotoren erweist sich in Verbindung mit einer breitbandigen Reglerauslegung der elektrische Rundlauffehler als besonders störend, da er in seiner Art hochfrequenter als der rein mechanische Rundlauffehler ist. Das Sensorsignal gelangt in den geschlossenen Regelkreis, wird durch den Regler in eine Spannungs- oder Stromanforderung umgewandelt und belastet so unnötig die Verstärker. In magnetically levitated rotors, in conjunction with a broadband controller design, the electrical runout proves to be particularly disturbing because it is high-frequency in its kind as the purely mechanical concentricity error. The sensor signal enters the closed loop, is converted by the controller in a voltage or current demand and so unnecessarily burdened the amplifier.

Es ist bekannt, ein Prägepolieren (diamond burnishing) der Sensorspur durchzuführen, wenn der elektrische Rundlauffehler groß ist. Hierbei wird mit einem Diamantwerkzeug die Oberfläche "vergleichmäßigt". Allerding ist diese Vorgehensweise nicht immer erfolgreich, so dass im ungünstigen Fall die Sensorspur erneut spanend oder schleifend bearbeitet werden muss, bevor ein erneuter Versuch des erfolgreichen Betriebes durchgeführt werden kann. It is known to perform a diamond burnishing of the sensor track when the electrical runout is large. Here, the surface is "evened out" with a diamond tool. However, this approach is not always successful, so that in unfavorable case, the sensor track must be machined again or sanding before a renewed attempt of successful operation can be performed.

Bei magnetgelagerten Rotoren wird in der Regel eine schmalbandige Reglerauslegung angestrebt, um die hochfrequenten Störungen (u a. der elektrische Rundlauffehler) nicht unnötig zu verstärken. In the case of magnetically levitated rotors, a narrow-band controller design is generally sought in order to avoid unnecessarily amplifying the high-frequency disturbances (eg, the electrical concentricity error).

Erfindungsgemäß wird das Problem gelöst, indem als Sensorspur ein Stahl verwendet wird, der eine austenitisch Kristallstruktur aufweist. Besonders zweckmäßig kann der Stahl einen hohen Nickelanteil aufweist, von über 8Gew.-%. According to the invention, the problem is solved by using as the sensor track a steel having an austenitic crystal structure. Particularly expedient, the steel has a high nickel content, of over 8Gew .-%.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, für die Sensorspur einen U-Boot Stahl zu verwenden. Besonders geeignet ist hier der Werkstoff: 1.3964 (X2CrNiMnMoNNb21-16-5-3). Dem Fachmann ist U-Boot-Stahl als Gattungsbegriff dadurch bekannt, dass dieser sich von einfachem rostfreiem Stahl dadurch unterscheidet, dass er noch mit Mangan und Molybdän legiert ist. Diese Legierung erfolgt derart, dass dadurch das austenitische Gefüge stabilisiert und die Bildung von α- oder auch δ-Ferrit vermieden wird. Der Vorteil für U-Boote ist darin begründet, dass diese nicht mehr durch Verzerrung eines äußeren Magnetfeldes lokalisierbar sind. Es hat sich mit der Erfindung gezeigt, dass dieser Stahl auch für die Sensorspur, insbesondere an Turbomaschinen, besonders gut geeignet ist. An advantageous development provides for the sensor track to use a submarine steel. Particularly suitable here is the material: 1.3964 (X2CrNiMnMoNNb21-16-5-3). A person skilled in the art is familiar with submarine steel as a generic term because it differs from simple stainless steel in that it is still alloyed with manganese and molybdenum. This alloy is carried out in such a way that it stabilizes the austenitic structure and avoids the formation of α- or even δ-ferrite. The advantage for submarines is that they can no longer be localized by distortion of an external magnetic field. It has been shown with the invention that this steel is also particularly well suited for the sensor track, in particular on turbo machines.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor eine Nickelbasislegierungen insbesondere NiCr22Mo9Nb, (2.4856, Markenname:
Inconel 625, Zusammensetzung: Al < 0,4; C = 0,03–0,1; Co < 1; Cr = 20–23; Cu < 0,5; Fe < 5; Mn < 0,5; Mo = 8–10; Ni < 58; P < 0,02; S < 0,015; Si < 0,5; Ti < 0,4; mit Nb + Ta = 3,15–4,15; Rest Fe) für die Sensorspur zu verwenden, weil sich so auch ein sehr geringer elektrischer Rundlauffehler ergibt. A development of the invention provides for a nickel-base alloys, in particular NiCr22Mo9Nb, (2.4856, trade name:
Inconel 625, composition: Al <0.4; C = 0.03-0.1; Co <1; Cr = 20-23; Cu <0.5; Fe <5; Mn <0.5; Mo = 8-10; Ni <58; P <0.02; S <0.015; Si <0.5; Ti <0.4; with Nb + Ta = 3.15-4.15; Remainder Fe) for the sensor track, because this results in a very low electrical runout.

Die Sensorspur kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass:

  • – die gesamte Welle aus einem der oben genannten Materialien gefertigt wird,
  • – ein Ring oder eine Büchse aus entsprechendem Material aufgeschrumpft wird (thermisch oder hydraulisch)
  • – das entsprechende Material in Form einer aufgeschweißten Schicht auf die Welle aufgebracht wird.
The sensor track can be realized in particular by:
  • - the entire shaft is made of one of the above materials,
  • - Shrinking a ring or bushing of appropriate material (thermal or hydraulic)
  • - The corresponding material is applied in the form of a welded layer on the shaft.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine Anordnung mit einem Rotor vor, der eine Sensorspur nach der Erfindung aufweist, wobei der Rotor eine Welle umfasst, wobei das Grundmaterial der Welle ein anderes Material als das Material der Sensorspur ist, das an dem Grundmaterial der Welle angebracht ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Materialeigenschaften der Sensorspur und die Materialeigenschaften der Welle auf die speziellen oben erläuterten Anforderungen weitestgehend unabhängig voneinander abzustimmen. Das Wellenmaterial kann hierbei insbesondere auf die Festigkeitsansprüche, chemische Beständigkeit, Fertigungsanforderungen und Kosten hin optimiert werden, ohne dass auf die besonderen Anforderungen der Sensorspur Rücksicht genommen werden muss. An advantageous development of the invention provides an arrangement with a rotor having a sensor track according to the invention, wherein the rotor comprises a shaft, wherein the Base material of the shaft is a different material than the material of the sensor track, which is attached to the base material of the shaft. In this way it is possible to tune the material properties of the sensor track and the material properties of the shaft to the specific requirements explained above largely independent of each other. In this case, the shaft material can be optimized in particular for the strength requirements, chemical resistance, production requirements and costs, without having to take account of the special requirements of the sensor track.

Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung der Sensorspur besteht darin, dass die Sensorspur auf die Welle auftraggeschweißt ist. A particularly advantageous possibility for producing the sensor track is that the sensor track is welded onto the shaft.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Sensorspur als eine Hülse ausgebildet ist, die eine Welle des Rotors in Umfangsrichtung sich erstreckend umgibt. Another possibility is that the sensor track is formed as a sleeve which surrounds a shaft of the rotor extending in the circumferential direction.

Besondere Vorteile entfaltet die Erfindung, wenn eine Anordnung eine Lagerung mit Magnetlagerung umfasst, die eine Regelung und einen mit der Regelung verbundenen Wirbelstromsensor aufweist, wobei der Wirbelstromsensor an der Sensorspur die radiale und/oder axiale Lage des Rotors erfasst und die Regelung anhand dieser Messung die Magnetlagerung regelt bzw. ein Magnetfeld der Magnetlagerung derart anpasst, dass der Rotor sich der räumlichen Sollposition weiter annähert. Particular advantages of the invention, when an arrangement includes a bearing with magnetic bearing having a control and an associated with the control eddy current sensor, wherein the eddy current sensor detects the radial and / or axial position of the rotor on the sensor track and the control based on this measurement Magnetic bearing controls or a magnetic field of the magnetic bearing so adapted that the rotor approaches the spatial target position on.

Besondere Vorteile der Erfindung bestehen in der Verringerung der zeitaufwendigen Bearbeitung von Sensorspuren zur Erfüllung der notwendigen Kriterien, sowie in präziseren Rotorpositionssignalen. Weil der elektrische Rundlauffehler typischerweise im hochfrequenten Bereich gegenüber dem mechanischen Rundlauffehler dominiert, wird damit wird das Sensorsignal im hochfrequenten Bereich deutlich fehlerfreier, was gerade für die Anwendung bei magnetgelagerten Rotoren interessant ist. Die Erfindung vermeidet, insbesondere bei einer breitbandigen Reglerauslegung, unnötig hohe Steuerspannungen und Steuerstrombedarf – also unnötig hohen Leistungsbedarf und auch Energieverbrauch – der Magnetlager, die ansonsten bis zur Verstärkersättigung ansteigen können. Particular advantages of the invention consist in reducing the time-consuming processing of sensor tracks to meet the necessary criteria, as well as in more precise rotor position signals. Because the electrical runout typically dominates in the high-frequency range compared to the mechanical concentricity error, so that the sensor signal in the high-frequency range is significantly error-free, which is interesting for use with magnetically levitated rotors. The invention avoids unnecessarily high control voltages and control power requirements - in other words unnecessarily high power requirements and also energy consumption - in particular in the case of a broadband controller design, the magnetic bearings, which otherwise can rise to amplifier saturation.

Die Erfindung ist in der Folge anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: The invention is explained in more detail below with reference to a specific embodiment with reference to a drawing. It shows:

1: eine schematische Darstellung einer Anwendung der Erfindung. 1 : a schematic representation of an application of the invention.

Die 1 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung mit einer erfindungsgemäßen Sensorspur SEN. In der 1 ist ein magnetgelagerter Turboverdichterrotor bzw. Rotor R – sich entlang einer Achse X erstreckend – gezeigt, mittels dessen ein Prozessfluid PF verdichtet wird. Der Rotor R ist an zwei axial voneinander beabstandeten Positionen einer Welle SH mittels einer Lagerung BU (axial links nur symbolisch dargestellt) gelagert. The 1 shows an arrangement according to the invention with a sensor track according to the invention SEN. In the 1 there is shown a magnetically levitated turbocompressor rotor R - extending along an axis X - by means of which a process fluid PF is compressed. The rotor R is mounted on two axially spaced positions of a shaft SH by means of a bearing BU (axially left only symbolically represented).

Die Sensorspur SEN besteht aus einem Stahl, der eine austenitisch Kristallstruktur aufweist. The sensor track SEN consists of a steel which has an austenitic crystal structure.

Die links dargestellte Lagerung BU ist im Einzelnen schematisch in ihrer Funktionsweise in 1 wiedergegeben. Die Lagerung BU umfasst ein aktives Magnetlager AMB, das sich in Umfangsrichtung zur Achse X um die Welle SH des Rotors R erstreckt. Ein Wirbelstromsensor ECS erfasst die radiale und/oder axiale Position der Welle SH im Bereich der Sensorspur SEN. Die Sensorspur SEN kann auf der Welle SH als Auftragschweißung angebracht sein. Eine alternative Möglichkeit, die in der 1 gestrichelt dargestellt ist, besteht darin, dass die Sensorspur SEN als Hülse SL an der Welle SH, die Welle in Umfangsrichtung umgebend, angebracht ist. Die Hülse SL kann beispielsweise mittels Schrumpfung an der Welle SH angebracht sein. Die Sensorspur SEN besteht in beiden Fällen aus einem anderen Werkstoff als der Grundwerkstoff der Welle SH. In dem Ausführungsbeispiel wurde der Werkstoff Inconell 625 für die Sensorspur SEN gewählt. The storage BU shown on the left is schematically in its operation in 1 played. The bearing BU comprises an active magnetic bearing AMB which extends in the circumferential direction to the axis X about the shaft SH of the rotor R. An eddy-current sensor ECS detects the radial and / or axial position of the shaft SH in the region of the sensor track SEN. The sensor track SEN can be mounted on the shaft SH as build-up welding. An alternative way in the 1 is shown in dashed lines, is that the sensor track SEN as a sleeve SL on the shaft SH, the shaft is circumferentially surrounding attached. The sleeve SL may, for example, be attached to the shaft SH by means of shrinkage. The sensor track SEN consists in both cases of a different material than the base material of the shaft SH. In the exemplary embodiment, the material Inconell 625 was selected for the sensor track SEN.

Grundsätzlich kann die Sensorspur auch Bestandteil des Wellengrundwerkstoffs sein, derart, dass die Sensorspur und die Welle aus einem Stahl bestehen, der eine austenitisch Kristallstruktur aufweist. Die 1 zeigt diese Möglichkeit, wenn sowohl die Sensorspur SEN als auch die Hülse SL nicht gesondert vorgesehen sind sondern der Wirbelstromsensor ECS schlicht gegen die Welle misst. Im Bereich der Sensorspur SEN der 1 kann die Welle SH zu diesem Zweck eine Oberflächenbehandlung aufweisen. In principle, the sensor track can also be part of the shaft base material, such that the sensor track and the shaft consist of a steel which has an austenitic crystal structure. The 1 shows this possibility when both the sensor track SEN and the sleeve SL are not provided separately but the eddy current sensor ECS simply measures against the shaft. In the area of the sensor track SEN the 1 For example, the shaft SH may have a surface treatment for this purpose.

Die Position POS, gemessen von dem Wirbelstromsensor ECS an der Sensorspur SEN der Welle SH, wird von einer Reglungseinheit CU aufgenommen. Eine Spannungsversorgung P versorgt die Reglungseinheit CU mit der für den Betrieb der Lagerung BU erforderlichen Energie P. Ein Regler CR der Reglungseinheit CU bestimmt aus der Position POS einen Reglerausgang, der von einem mittels des Reglers angesteuerten Verstärkers AMP verstärkt an das aktive Magnetlager AMB der Lagerung BU übermittelt wird. The position POS, measured by the eddy current sensor ECS on the sensor track SEN of the shaft SH, is recorded by a control unit CU. A power supply P supplies the control unit CU with the energy P. required for the operation of the storage BU. A controller CR of the control unit CU determines from the position POS a controller output amplified by an amplifier AMP driven by the controller to the active magnetic bearing AMB of the storage BU is transmitted.

Infolge der Erfindung wird der elektrische Rundlauffehler der Messung mittels des Wirbelstromsensors ECS an der Sensorspur SEN reduziert, so dass die Ansteuerung des aktiven Magnetlagers AMB mittels der Reglereinheit CU eine genauere axiale und radiale Positionierung des Rotors R zur Folge hat als bisher im Stand der Technik. As a result of the invention, the electrical runout of the measurement is reduced by means of the eddy current sensor ECS on the sensor track SEN, so that the control of the active magnetic bearing AMB by means of the control unit CU a more accurate axial and radial positioning of the rotor R result than before in the prior art.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • API Standard 617 [0004] API Standard 617 [0004]

Claims (9)

Sensorspur (SEN) für Wirbelstromanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspur (SEN) aus einem Stahl besteht, der eine austenitisch Kristallstruktur aufweist. Sensor track (SEN) for eddy current applications, characterized in that the sensor track (SEN) consists of a steel having an austenitic crystal structure. Sensorspur (SEN) nach Anspruch 1, wobei der Stahl mehr als 8 Gew.-% Nickel aufweist. A sensor track (SEN) according to claim 1, wherein the steel has more than 8 wt% nickel. Sensorspur (SEN) nach einem der Ansprüche 1, 2, wobei der Stahl die Bestandteile in Gew.-% umfasst: Al < 0,4 C: 0,03–0,1 Co < 1 Cr: 20–23 Cu < 0,5 Fe < 5 Mn < 0,5 Mo: 8–10 Ni < 58 P < 0,02 S < 0,015 Si < 0,5 Ti < 0,4 mit Nb + Ta: 3,15–4,15 und Rest Fe. Sensor track (SEN) according to one of claims 1, 2, wherein the steel comprises the components in% by weight: Al <0.4 C: 0.03-0.1 Co <1 Cr: 20-23 Cu <0.5 Fe <5 Mn <0.5 Mon: 8-10 Ni <58 P <0.02 S <0.015 Si <0.5 Ti <0.4 with Nb + Ta: 3,15-4,15 and remainder Fe. Sensorspur (SEN) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, wobei der Stahl als U-Boot-Stahl ausgebildet ist. Sensor track (SEN) according to at least one of the preceding claims 1, 2, wherein the steel is designed as a submarine steel. Sensorspur (SEN) nach Anspruch 4, wobei der Stahl die Bestandteile in Gew.-% umfasst: C < 0,030 Cr = 20,00–21,50 Mn = 4,00–6,00 Mo = 3,00–3,50 N: = 0,20–0,35 Nb < 0,25 Ni = 15,00–17,00 P < 0,025 S < 0,010 Si < 1,00 Rest Fe. Sensor track (SEN) according to claim 4, wherein the steel comprises the components in% by weight: C <0.030 Cr = 20.00-21.50 Mn = 4.00-6.00 Mo = 3.00-3.50 N: = 0.20-0.35 Nb <0.25 Ni = 15.00-17.00 P <0.025 S <0.010 Si <1.00 Rest Fe. Anordnung mit einem Rotor (R), der eine Sensorspur (SEN) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 aufweist, wobei der Rotor (R) eine Welle (SH) umfasst, wobei das Grundmaterial der Welle (SH) ein anderes Material als das Material der Sensorspur (SEN) ist. Arrangement with a rotor (R), which has a sensor track (SEN) according to at least one of the preceding claims 1 to 5, wherein the rotor (R) comprises a shaft (SH), wherein the base material of the shaft (SH) is a different material than the material of the sensor track (SEN). Anordnung nach Anspruch 6, wobei auf die Welle (SH) die Sensorspur (SEN) auftraggeschweißt ist. Arrangement according to claim 6, wherein the sensor track (SEN) is welded onto the shaft (SH). Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Sensorspur (SEN) als eine Hülse (SL) ausgebildet ist, die eine Welle (SH) des Rotors (R) in Umfangsrichtung sich erstreckend umgibt. Arrangement according to claim 6, wherein the sensor track (SEN) as a sleeve (SL) is formed, which surrounds a shaft (SH) of the rotor (R) in the circumferential direction extending. Anordnung nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Anordnung eine Lagerung (BU) mit Magnetlagerung (AMB) umfasst, die eine Regelung (CU) und einen Wirbelstromsensor (ECS) aufweist, wobei der Wirbelstromsensor (ECS) an der Sensorspur (SEN) die radiale und/oder axiale Lage des Rotors (R) erfasst und die Regelung (CU) mittels dieser Messung die Strom- und Spannungsversorgung regelt. Arrangement according to claim 6, 7 or 8, wherein the arrangement comprises a bearing (BU) with magnetic bearing (AMB) having a control (CU) and an eddy current sensor (ECS), wherein the eddy current sensor (ECS) at the sensor track (SEN) detects the radial and / or axial position of the rotor (R) and controls the control (CU) means of this measurement, the power and voltage supply.
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