DE10006475A1

DE10006475A1 - Vorrichtung zur Prüfung des Einflusses der Zentrifugalkraft auf fest, flüssige oder gasförmige Körper

Info

Publication number: DE10006475A1
Application number: DE10006475A
Authority: DE
Inventors: Gerd D Rauh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2001-02-01

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Prüfung des Einflusses der Zentrifugalkraft auf feste, flüssige oder gasförmige Körper und insbesondere auf Teile für mechanische oder elektronische Anwendungen unter Einsatzbedingungen, mit DOLLAR A - einem Stator, an dem Anschlüsse für elektrische Energie und gegebenenfalls für Meßwertgeber angebracht sind, DOLLAR A - einem Rotor, der das zu prüfende mechanische und elektrische Teil trägt oder der von dem zu prüfenden Teil gebildet wird, DOLLAR A - einer Übertragungseinheit, die elektrische Leistung vom Stator zum Rotor kontaktlos überträgt, und DOLLAR A - wenigstens einem am Rotor vorgesehenen Aktor, an dem die übertragene elektrische Leistung anliegt und der für das zu prüfende Teil Einsatzbedingungen erzeugt. DOLLAR A Insbesondere kann der Aktor das zu prüfende Teil auf die Einsatztemperatur und gegebenenfalls auf höhere Temperaturen erwärmen.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Prüfung des Einflusses der Zentrifugalkraft auf feste, flüssige oder gasförmige Körper und insbe sondere auf Teil für mechanische oder elektronische Anwendungen unter Einsatzbedingungen.

Es besteht ein großer Bedarf, alle möglichen Körper, die sich mit hoher Drehzahl drehen, unter Einsatzbedingungen, also realistisch zu prüfen.

Stand der Technik

Die Prüfung erfolgt derzeit auf Prüfständen, die es zwar erlauben, den zu prüfenden Körper mit einer Drehzahl zu drehen, die zumindest in etwa der späteren Einsatzdrehzahl entspricht, in der Regel ist es jedoch nicht mög lich, die Prüfung so durchzuführen, daß auch die anderen Bedingungen, wie beispielsweise die Temperatur, zumindest weitgehend den späteren Einsatzbedingungen entsprechen. Insbesondere besteht ein Bedarf hin sichtlich einer dynamischen Prüfmethode, die die wahre Anforderung dy namisch beanspruchter Teile erfaßt.

Stand der Technik sind Komponenten- und Systemprüfungen vor und nach extremen Belastungen der eingesetzten Teile, wobei diese Prüfungen durch vorbeugende Schadenuntersuchungen während des Einsatzes oder danach ergänzt werden.

Untersuchungen, die mechanische Eigenschaften oder Oberflächeneigen schaften ermitteln, sind standardisiert und genormt. Das Ergebnis dieser Untersuchungen ist primär die Beschreibung der Eigenschaften im ruhen den Zustand.

Dagegen führen Online-installierte sensor-telemetrische Systeme oft nur zu einem ungenügenden Analysespektrum der Teile im dynamischen Zu stand. Gründe dafür sind schmalbandige Meßaufnehmer bzw. eine zwangsläufige Begrenzung von Auflösung und Genauigkeit der Meßwerte durch Störeinstrahlungen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Ver fahren zur Prüfung des Einflusses der Zentrifugalkraft auf feste, flüssige oder gasförmige Körper und insbesondere auf Teil für mechanische oder elektronische Anwendungen anzugeben, die eine Prüfung unter realisti schen Bedingungen nicht nur hinsichtlich der Drehzahl, sondern auch be züglich anderer Parameter, wie beispielsweise der Temperatur erlaubt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das mit ihr ausführbare Verfahren hat das Ziel, Kennwerte über z. B. elastisches und plastisches Verhalten, Wärmeleitfähigkeiten und Spannungsverschiebungen zu ermitteln, die über das Verhalten (Festigkeit, Korrosion, Funktion) der Teile unter hochdyna mischen Bedingungen und hinreichend langen Wirkungszeiten Aufschluß geben. Von besonderem Interesse sind dabei auch Geschwindigkeits- und Temperaturverläufe (Thermofluiddynamik) in der Grenzschicht der Teile bei hohen Drehzahlen. Ziel ist deshalb nicht nur die Online-Messung an Turboläufern, Kreiskolben, Zylindern und Wellen währen des Betriebes oder unter Betriebsbedingungen, sondern auch die Online-Konditionierung zur Beurteilung des Echtzeit-Verhaltens der Teile im System vor, in und nach zuverlässigkeitskritischen Phasen.

Eine erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängi gen Ansprüche.

Die Erfindung geht von folgendem Grundgedanken aus:
Der direkte Zugriff auf Zustand und Ereignis soll auf der dynamischen Ebene stattfinden. Dies ermöglicht eine quellennahe Diagnose und Ereig nissimulation. Für die Erforschung des "real-time"Verhaltens von Stoffen, Modulen und ganzen Systemen ist ein entscheidender Schritt, die durch kinetische Energie hervorgerufene Verschiebung elektrischer Felder (= Änderungen der Elektronengasdichte der Valenzelektronen) bei metalli schen Leitern und Halbleitern in Abhängigkeit von Temperatur und Wär mefluß zu erfassen und meßbar zu machen.

Dies bedingt die Entwicklung einer mehrstufigen durchgehenden Prüftech nologie z. B. vom Forschungsprüfstand bis zur realen "Online"-Überwa chung und Diagnose zum Ziel unendlich reproduzierbarer Ergebnisse ohne örtliche Restriktionen.

Hierzu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt folgende Merk male auf:

- einen Stator, an dem Anschlüsse für elektrische Energie und ge gebenenfalls für Meßwertgeber angebracht sind,
- einen Rotor, der das zu prüfende mechanische und elektrische Teil trägt, oder der von dem zur prüfenden Teil gebildet wird,
- eine Übertragungseinheit, die elektrische Leistung vom Stator zum Rotor kontaktlos überträgt, und
- wenigstens einen am Rotor vorgesehenen Aktor, an dem die über tragene elektrische Leistung anliegt, und der für das zu prüfende Teil Einsatzbedingungen erzeugt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das mit ihr ausführbare erfin dungsgemäße Prüfverfahren kann insbesondere zur Absolutwert-Dia gnose, zur Optimierung und zur Neuentwicklung von Komponenten, Sy stemen und ihrer konstruktiven Auslegung dienen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es beispielsweise, Teile, wie Turbinen-Schaufeln bzw. -Schäfte, Seitenruder oder Raketen bzw. Geschoße mit und ohne Drall bewegung realistisch zu prüfen.

Die erfindungsgemäß ausführbaren "in situ Untersuchungen" beschränken sich jedoch nicht nur auf Konstruktionsteile und mechanische Funktionen, sondern finden auch bei kompletten Systemen Anwendung wie z. B. Rad bremsen an Fahrzeugen, Meßwerterfassung über den Zustand von Rad und Schiene in Radachsen von Hochgeschwindigkeitszügen, lagerichtiger Einbau von elektronischen Systemen in bemannten und unbemannten flugkörpern, Online-Überwachung und Prüfung dynamischer Triebwerk steile, Aggregate usw.

Die erfindungsgemäße dynamische Prüfmethode dient der gezielten Ver haltensforschung an Stoffen und Komponenten in ihrem kinetischen Um feld. Unter gleichzeitiger Einwirkung von Temperatur, elektrischer und me chanischer Energie werden subkritische, kritische und superkritische Be triebsbedingungen erzielt. Zur Gewährleistung einer applikationskongru enten präzisen und unendlich reproduzierbaren Prüfmethode wird die me chanische Energie aus einer rotationskinetischen Energie gewonnen. Mit Hilfe lokaler elektrischer Energie auf der Prüfebene werden die (Meß-, Steuer u. Regel) MSR-Komponenten versorgt und die Temperaturfelder am Prüfling generiert. Zusätzlich können auf der Prüfebene Schwingungen und Stoßwellen durch weitere Aktoren eingeleitet werden. Somit kann das Einwirken verschiedener Energie- und Störpotentiale zu einem absoluten Zeitpunkt miteinander verglichen werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprü che:
Insbesondere kann der Aktor das zu prüfende Teil auf die Einsatztempe ratur und gegebenenfalls auf höhere Temperaturen erwärmen. Die Erwär mung kann beispielsweise mit einem Heizelement erfolgen; ferner ist es möglich, das Teil mittels direktem Stromdurchgang oder einem Wirbel strom-Geber zu erwärmen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung kann der der Aktor eine mechanische Wirkung auf das zu prüfende Teil ausüben, die beispielsweise zu einer künstlich erzeugten Unwucht führt. Hierzu kann der Aktor einen Ultraschall- oder einen Schwingungsgeber aufweisen.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn am Rotor wenigstens ein Meßwertgeber vorgesehen ist. Diese Ausgangssignale des oder der Meßwertgeber kon taktlos oder berührend zum Stator übertragen werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung sind zur Überwachung des Rotors dyna mische Meßwertgeber vorgesehen; diese können beispielsweise die Dreh zahl, den Rundlauf bzw. die Unwucht und/oder den Drehwinkel erfassen.

Diese Meßwertgeber können piezoelektrische Geber, Kraft/Spannungs wandler oder Kraft/Resonanzwandler sein. Eine vektorielle Messung kann dabei durch eine Dreileiter-Sternschaltung erfolgen.

Weiterhin kann ein - vorzugsweise auf der Seite des Rotors vorgesehener - Meßwertgeber die Felddichte erfassen, so daß er die Bestimmung der übertragenen Leistung und des Wirkungsgrades erlaubt. Dieser Meßwert geber kann darüberhinaus auch zur Einstellung des Übertragerluftspaltes und damit zur Homogenisierung und Linearisierung des Kraftflusses her angezogen werden.

Bei weiteren Ausgestaltungen kann das Leistungsteil als DC/DC-Wandler arbeiten, der über einen Luftspalt kontaktlos die Leistung zum Rotor über trägt. Alternativ kann die Leistungsgenerierung kontaktlos durch das Dy namoprinzip erfolgen. Dies bietet sich insbesondere bei einem Fremdan trieb des Rotors an.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:

Fig. 1 perspektivisch einen kompletten Prüfaufbau, gegliedert nach Funktionsebenen eines beheizten, angeströmten und rotieren den Prüfzylinders,

Fig. 2 einen Laborprüfstand,

Fig. 3 einen weiteren Laborprüfstand,

Fig. 4 einen Hybrid-Prüfstand zur Prüfung realer Fertigteile nach Betriebs- und Grenzwertbestimmungen

Fig. 5 einen Systemprüfstand,

Fig. 6 Elektrisches Schema des triaxialen Aufbaus

Fig. 7 Rotorgehäuse im triaxialen Aufbau

Fig. 8 Fliehkraftsensor mit Temperaturkompensation

Fig. 9 Meßanordnung mit 3 Piezoelementen für Rund lauf, Wuchtbalance, Winkelcodierung, Drehzahl

Fig. 10 Versorgungsebene mit durchgeschleifter Busstruktur

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt einen Prüfling, der ohne Beschränkung des allgemeinen Erfin dungsgedankens ein eigenbeheizter, fremdangeströmter, rotierender Zy linder, der repräsentativ sowohl für alle runden Körper (Achsabschnitte, Wellenenden, integrierte Einbaugehäuse) als auch für Freiformflächen (Turbinenschaufeln, Tragflächen, Windabweiser) steht. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Prüfling in einem Windkanal angeordnet.

Arbeitet der Windkanal als thermischer Windkanal mit verschiedenen Ga sen, können auch die thermodynamischen Verhältnisse bestimmt werden, denen ein Körper ausgesetzt ist, wenn er von einem Fluid umströmt wird, bei gleichzeitig veränderlichen Temperatureinflüssen. Typisch für thermo dynamische Probleme ist die Synthese aus vielen Unbekannten:

- der Grenzverlauf
- der aerodynamische Auftrieb
- der aerodynamische Widerstand
- Auftreten und Lage von Staupunkten
- der konvektive Wärmeübergang an der Zylinderoberfläche
- das Temperaturfeld und die Wirbelbildung hinter dem Zylinder
- die Geschwindigkeits- und Druckverteilung am Zylinder und in seiner Umgebung.

Ein wesentlicher Faktor - einerseits im Hinblick auf die Auslegung des Zy linders, seiner Bauteile und Prüflinge - andererseits im Bezug auf das strömungs- und thermodynamische Verhalten - ist die notwendige hohe Rotationsgeschwindigkeit, um praxisnahe Diagnosen und das Vorbestim men von Ereignissen experimentell duchzuführen. Daraus resultieren fol gende wesentliche Schwierigkeiten:

Ein physikalischer Systembaufbau, der dies löst, wird im folgenden exem plarisch beschrieben; hierbei ist von Bedeutung:

- die Einhaltung von Auflösung und Genauigkeit der Bestimmungs- /Meßgrößen,
- die Art der Meßwerterfassung,
- die räumliche Trennung der Meß- und Prüfebene zur Datenkondi tionierebene,
- die berührungslose Energie- und Datenübertragung von der stati schen zur dynamischen Ebene

Bereits der erste Punkt ist hier entscheidend. Denn schon kleinste Un wuchten des rotierenden Systems (30.000 rpm!) durch nicht vorbestimmba re Lageveränderung eines Teiles können schwere mechanische Defekte an der Halterungsstruktur bis hin zur Zerstörung des Prüfstandes nach sich ziehen.

Besonders problematisch ist, daß die Sensoren und Aktoren wie z. B. die Heiz- und Thermoelemente, die sich im Prüfzylinder selbst befinden, als "embedded" Elemente fest verankert werden müssen. Dagegen steht gro ßes Interesse, die festen Bestandteile der dynamischen Prüfanordnung wegen notwendiger und idealerweise "unendlicher" Wiederholbarkeit der Meß- und Prüfwerte auch bei Ausfall/Austausch der Sensor-/Aktorele mente wiederzuverwenden.

Dies erfordert eine leichte Austauchbarkeit der Bauteile und Module - nicht nur zur Erhaltung der elektro-/mechanischen Prüfstandsarchitektur son dern auch für die Fehlerbestimmung der ausgefallenen Bauteile.

Der mechanische und elektrische Teil des Referenzmodells besteht aus einer stationären und einer rotierenden Ebene. Die rotierende Ebene ist der Primärbereich dynamischer Prüftechnik. Hier unterliegen die Prüflinge dem direkten Zugriff auf Zustand und Ereignis entsprechend dem Betriebs verhalten oder der Simulation.

Die Beschleunigungsmomente der Rotation ermöglichen die notwendige Bandbreite einer kontinuierlichen Krafteinwirkung von Null über die Zonen elastischer und plastischer Verformung hinaus bis zur Zerstörung der Teile sowie den temporären oder totalen Ausfall von Systemen.

Beispiel für auftretende Kräfte bei höheren Drehzahlen:
Bei einer Drehzahl von n = 30000 min^-1 (f = 500 s^-1) treten pro Millimeter Entfernung von der Dreh-achse Beschleunigungen vom 1000-fachen der Erbeschleunigung "g" auf, d. h. ein Masseteil von 10 gr und einem Schwer punktabstand r = 100 mm zur Drehachse würde durch die hier herrschende Zentrifugalbeschleunigung von 100000 g mit einer Fliehkdraft von 1006 kp- 1 Tonne wirken.

Der Aufbau zeigt, nicht nur die Prüflinge unterliegen den auftretenden Kräften sondern auch die Komponenten der Meßdatenerfassung, - konditionierung und des Übertragungssystems für Daten und Leistung. Somit kann die Erfahrung aus der Prüfstandstechnik direkt in die Prüfun gen und Prüflinge einfließen.

Im folgenden soll die und Genauigkeit der Bestimungsgrößen

a) Temperaturerfassung

Zur experimentellen Erforschung der Wärmeübertragung und des aperiodi schen Verhaltens von Wärmeübergängen in der Grenzschicht in Abhän gigkeit der thermofluiddynamischen Verhältnisse wird eine Regelgenauig keit von 0,1°C relativ vorausgesetzt; d. h. die Erfassung der Thermo spannung sollte analog für 0,01°C erfolgen, um einem Schwingen des Re gelkreises und Einflüssen der Meß- und Regelelektronik selbst vorzubeu gen. Bezogen auf das NiCr-NiAl Thermoelement ist dies eine Spannungs differenz von 0,4 µV. Die dafür notwendige Meßdatenerfassung ist bereits bei stationären Labormessungen aufgrund der räumlich vorhandenen Stö reinstrahlungen, des Eigenrauschens der Meßdatenerfassungsstelle und weiterer möglicher additiver Fehler des Meßsystems problematisch.

b) Kinetischer Einfluß

Für eine näherungsweise Bestimmung des notwendigen Meßbereichs zur Ermittlung der Spannungsverschiebung wird die Energie berechnet, die notwendig ist, ein Elektron gegen die Zentrifugalkraft zur Drehachse zu rückzuschieben.

U = Spannung Drehachse/Stabende = V = kgm²s^-3/A
J = Verschiebe-Energie zur Drehachse = Ws = kg²ms^-2
e^- = Ladung des Elektrons = 1,6 . 10^-19 As
F_Z = Zentrifugalkraft = kgms
R = Radius = Verschiebeweg = 0,1 m
a = Radialbeschleunigung = ms^-2
m_e = Masse Elektron = 9,1 . 10^-31 kg
n = Drehzahl = 30000 min^-1 = 500 s
a = ω²r = (2πf)²r = 9,8696 . 10⁶ . 0,1 = 9.8696 . 10⁵ . ms^-2a ≈ 100000 g = 1000 g/mm
F_Z = m_e . a = 9,1 . 10^-31 . 9,8696 . 10⁵
F_max = 89,814 . 10 kgms
J = 1/2F_max . r = 44,907 . 10^-26 . 0,1
J = 4,491 . 10^-26 kgm²s^-2

Die theoretische Spannungsverschiebung von -0,3 µV/e zeigt, daß Meß bereich und Genauigkeit im nahen Bereich der gewünschten Tempera turerfassung liegen; somit sind auch die Maßnahmen von der Signalerfas sung bis zur Auswertung gleich.

Für die zu erforschenden Reaktionsphasen erfolgt die Erfassung der ana logen Signale im Prüfling verteilt:

- nahe den Heizelementen bzw. Wärmefeldern
- im Werkstoff-Innern
- an den Grenzschichten nahe der Oberfläche
- an den Verbundschichten bei Verbundwerkstoffen
- an Lagerungen
- multiple Funktionsüberwachung an elektrisch/elektronischen Kom ponenten und Systemen

Zur Reproduzierbarkeit der Messungen muß eine Nachkalibrierung von der analogen Signalerfassung und -konditionierung bis zur Digitalisierung für die Übertragung gewährleistet sein. Daraus folgt: der Meßkopf/Prüfling muß mit dem räumlich versetzten Datenübertragungskopf leicht trennbar (steckbar) verbunden werden.

Im folgenden soll die räumliche Trennung von Meß- und Prüfebene zur Datenkonditionierebene beschrieben werden:
Die thermischen Verhältnisse auf der Prüfebene machen eine räumliche Trennung der analogen Datenerfassung zur temperaturempfindlichen elektronischen analog-/digitalen Meßdaten-Konditionierung notwendig. Im Gegensatz erhöht sich die Störein- und abstrahlung mit zunehmendem Abstand.

Die zur lokalen Konditionierung notwendige elektrische Leistung liegt im kW-Bereich. Eine Einspeisung in die rotierende Ebene (wo die Prüflinge konditioniert werden) kann aufgrund der notwendigen Störstrahlenbegren zung zum und vom System bei integriertem Datentransfer nur lokal erfol gen.

Die zur Konditionierung erforderlichen Drehgeschwindigkeiten und Be schleunigungsmomente sind für die Übertragungsart entscheidend:

AL=L<Übertragung: stat.-/rot. Ebene
AL=L CB=3<Drehzahlbereich@	- berührungslos induktiv -	DC/DC Wandler
AL=L<0 . . . 30000 min^-1

- berührungslos induktiv -	Dynamoprinzip mit
AL=L<0 . . . < 30000 min^-1

a) gegenläufigem Drehfeld für die Leistungsgenerierung im unteren Drehzahlbereich und eventueller Stillstandsbremse
b) kontaktierender Übertragung im unteren Drehzahlbereich

Da der gesamte Daten- und Leistungstransfer 50 berührungslos - über ei nen Luftspalt - geht, hat die rotierende Ebene 2 keinen festen Massebe zugspunkt und ist somit auch jedem Störfeld von außen ohne direkte Ab leitungsmöglichkeit ausgesetzt. Um den inneren Störabstand zu erhalten, muß auch der Störabstand zur Umgebung ≧ 160 dB sein. Dabei können Elektronik und Mechanik nicht mehr getrennt betrachtet werden. Die räum liche Anordnung, Einbaulage, konstruktive Abschirmung, von der Präzisi ons-Meßdatenerfassung 11 bis zur Übertragung parallel zur Leistungsein kopplung ist mit der Gehäusetechnik 30, ja der gesamten Konzeption der rotierenden Ebene ein "embedded" System. 11, 21, 30

Zur Realisierung hoher Störabstände auf der rotierenden Ebene ist die Antriebsmaschine 20 ein Hohlwellenspindelmotor in der Ausführung als Käfigläufer/Kurzschlußläufer. Somit stellt sich im Innern des Ankers 20a ein Spannungs-Nullpunkt ein, der alle Ströme gegen Null laufen läßt. Die Energieleitungen sind deshalb nahe dem Nullpunkt (. . .) an der Hohlwelle installiert.

Die Unterdrückung der Nahstöreinstrahlung kann nur durch ein in sich ge schlossenes durchgehend mehrfach geschirmtes und symmetrisch aufge bautes Meßsystem erfolgen und zwar von der Meßsignalerfassung bis zur störungsunempfindlicheren digitalen Übertragungsstrecke 50 nach außen.

Die Unterdrückung der Störstrahlung aus und in die Umgebung erfolgt durch zunehmende, radial gerichtete Leitwerte zur Gehäuseaußenwand 11, 21, 30 und einem minimalen Transferwiderstand im Bereich der Außen wand, die eine gute Ableitung der Störfrequenzen zum System-Masse- Nullpunkt garantieren. Eine weitere Steigerung der EMC läßt sich durch eine elektrisch leitende und durchgehende "Kompaktabschirmung" lamina ren Aufbaus in den Grenzschichten der Konstruktionsteile erreichen. Die Laminate und eventuelle Verbindungsschichten sollen dabei unterschiedli cher Permeabilität sein. Dies erhöht die Dämpfung der Störfelder durch gerichtete Mehrfach-Reflexionen in den laminaren Schichten.

Eine maximal mögliche Unterdrückung des thermischen Rauschens (Ei genrauschen an der Meßstelle) fordert eine punktuelle Meßdatenerfassung niederiger Resistivität. 12. Sie ist notwendig zur präzisen Bestimmung kleiner Meßwerte - wie hier im µV-Bereich.

Bei Verwendung von geeigneter Sensorik wie z. B. NiCr-NiAl Thermo elementpaaren 12 erfolgt eine differentielle Temperaturerfassung durch die unterschiedlichen Materialien der Thermodrähte. Bei punktueller Berüh rung und gleicher Temperatur der Meßstelle und dem Verbindungspunkt der Thermodrähte liefert das Thermoelement die erforderlich präzise Spannung der Meßstelle bei minimal möglichem Rauschanteil aufgrund des viel kleineren Eigenrauschanteils.

Für die direkte Messung des kinetischen Einflusses als elektrische Größe gelten die gleichen physikalischen Merkmale wie für die Temperaturerfas sung über Thermoelementenpaare. Das Elementenpaar des Fliehkraftsen sors ist aus unterschiedlichen Materialien mit einer differen-ziellen Rück haltekraft auf die Elektronen. Entspricht dabei ein Element in Zusammen setzung und Struktur dem zu prüfenden Stoff, ermöglicht dies den direkten Vergleich. Für die genaue Bestimmung kinetischen Einflusses ist ein diffe renzielles Meßverfahren mit direkter Temperaturkompensation der Meß stelle zu installieren. Idealerweise sind Temperatur- und Fliehkraftsensor gleicher Bauart und der Temperatursensor befindet sich neutral zur Zen trifugalkraft.-Bereich 11c.

Eine dynamische Online Überwachung von Rundlauf, Balance und Ge schwindigkeit ist bei hohen Drehzahlen sowohl für den Prüfling 11 als auch für den dynamischen Übertragungsteil wichtig. Der elektronische Aufwand sollte minimal und weitgehendst störunempfindlich sein.

Minimal drei Piezoelemente werden nach obigem Abbild auf einer Ebene im gleichen Winkel zueinander und im gleichen Abstand zur Mitte ange ordnet. Beim Druck durch die Zentrifugalkraft treten an allen 3 Elementen elektrische Ladungsdichten auf. Diese Ladungen entstehen durch Ionen verschiebung im Kristallgitter und sind dem Druck proportional.

Bei ungenauem Rundlauf, Unwucht und radialen Schwingungen würden die piezogenerierten Spannungen voneinander abweichen. Die Abwei chungen und der gegenseitige Vergleich geben das Maß für Rundlauf, Unwucht und deren Angriffspunkt.

Zusätzlich erfaßt diese Anordnung auch als "Körperschallmikrophon" Ra dialschwingungen und wirkt als differenzierte Drehzahlüberwachung vor allem bei hohen Drehzahlen.

Gleich angeordnete Quarzresonatore zeigen einen ähnlichen Effekt. Bei Druckbelastung verschiebt sich die Resonanzfrequenz proportional zur Belastung und dient somit gleichermaßen der Überwachung.

Zur Messung des Flusses sind Hallsonden auf der rotierenden Seite 34 des DC/DC Converters angebracht. Die Hallspannung gibt das Maß und die Homogenität des Flusses und somit der übertragenden Leistung an. Gleichzeitig läßt sich mit dieser Anordnung der Einstein-Hallsche-Effekt nachweisen.

Ein wesentliches Merkmal für die kompatible Versorgung/Betreibung der verschiedenen Diagnose- und Prüfanlagen ist die durchgehend gleiche Architektur des hybriden Versorgungsbusses 60 (Netzes). Dabei läßt sich jeder Anschlußpunkt applikationsspezifisch über den separaten "Steue rungsbus" nach Leistungsmerkmalen der Energieversorgung und der MSR-Aufgaben konfigurieren.

Da der Steuerungsbus 52 vom Datenbus 51 physikalisch getrennt arbeitet, ermöglicht dies die notwendigen kurzen Reaktionszeiten für schnelle Re gelvorgänge, vor allem bei aperiodischem Grenzverhalten. Der zusätzlich mögliche vice-versa-Einsatz (auch mit getrennten/unterschiedlichen Pro tokollen) erhöht die Sicherheit durch Redundanz.

Für die Anschaltung und Verzweigung gelten die gleichen Merkmale wie für den berührungslosen Drehübertrager 50 von der stationären 2 zur dy namischen Ebene. 1. Die Übertragung des Leistungs-53, Steuerungs-52 und Hf-Datenbusses 54 ist galvanisch getrennt 50 über ein Fluid (Luft, Wasser etc.) wie über eine Feststoffmembrane (frei von Metallen und fer romagnetischen Substanzen wie Glas, Kunststoff etc.) möglich.

Die berührungslose Steckertechnik ist ohne Codierung und 360° drehent lastet vorzugsweise im "push-pull"Verfahren einsetzbar und auch unter Betriebsbedingungen kraftlos steckbar und trennbar - ohne Restriktionen in Sicherheits-/Gefahrenbereichen, die ein offenes elektromagnetisches Feld zulassen.

Für den schnellen Datenbus besteht die Möglichkeit der optischen und/oder Hf-technischen Transmission.

Der Prüfzylinder 11 weist durch seine "Sandwich-Bauweise" von den Hei zelementen 13 ausgehend, eine nach außen und innen gerichtete (zweifa che) triaxiale Schirmung auf - dies ermöglicht die außenliegende Umwelt sowie die innenliegende Prüfkammer 11c gleichermaßen durch Wärmeein fluß zu manipulieren bei Einhaltung des notwendigen elektrischen Störab standes. Die coaxialen "semi-rigid" Heizkabel 13 bilden den Positiv-Teil zu den Negativ-Gewinden 11a des Innen- und Außenzylinders 11b (zwei schaliger Aufbau). Dadurch ergibt sich eine lösbare Schraubverbindung hoher mechanischer Festigkeit, bei gutem Wärmeübergang und flexibler Heizzonenanpassung. Es können so auch mehrere getrennte Heizkreise installiert werden.

Die Thermoelemente 12 sind steckbar in den Zylindern untergebracht.

Der Aufbau des Prüfzylinders 11 gewährleistet die Simulation einer dreidi mensionalen realen Umwelt - nach außen und zum Zentrum - dabei bleiben Sensoren und Aktoren austauschbar, die Anordnung unverändert. Die Prüfebene 10 bildet mit der Antriebs- 20 und Übertragungsebene 50 mechanisch und elektrisch ein symmetrisches Ganzes.

Die Erforschung der Reaktionsphasen erfordert eine durchgehende mehr fach gleiche Prüftechnologie von:
Laborprüfstand Fig. 1, 2, 3, (geschlossenes System)
F + E. Konstruktive Auslegung von Neuteilen
Simulation "in situ"Verhalten von mechanischen, elektro-/elektronischen Teilen, Modulen und Systemen. Auswirkung thermofluid-dynamischer Vor gänge.

Präzisionszentrifuge, chemischer-, biochemischer Bereich

Der Gesamtaufbau der dynamischen Ebene 1 ist durchgegenend von der Meßdatenerfassung bis zur Datenübertragung auf die stationäre Ebene elektrisch triaxial ausgeführt. Dieser symmetrische EMC(Elektro- Magnetische Kompatibilität)-Aufbau mit der passiven und aktiven Signale bene im Zentrum garantiert gegenüber der Leistungs- und Fernstörebene den für Forschung, Entwicklung und Diagnose notwendigen Störabstand von über 160 dB.

Hybrid-Prüfstand Fig. 4 (halboffenes System)

Prüfung realer Fertigteile nach Betriebs- und Grenzwertbestimmungen unter Einsatz von Aktoren/Sensoren zur Schwingungs- und Schockwel lenerzeugung und -messung. Thermodynamisches Verhalten der Fertig teile.

Online-Monitoring und Mapping. Qualitätskontrolle der Komponenten.

Online-Monitoring und kontinuierlicher 1 : 1 Vergleich der entscheidenden Parameter für Sicherheit und Wirtschaftlichkeit im Betrieb.

Kontinuierlicher "On Duty Check-Up" zur präventiven Bestimmung von Si cherheitsmaßnahmen und Wartungsarbeiten.

Auswirkung auf die Praxis

Diese durchgehende Prüftechnologie zeigt die entscheidenden Parameter für Umfang und Einsatz des effektivsten und kostengünstigsten "Online- Überwachungs- und Diagnosesystems"

Eine in der Fertigungs- und Testphase erstellte Überwachungssoftware liefert online die Vergleichswerte für eine punktgenau Zustandsbestim mung des Systems - die Voraussetzung für flexible, betriebsbedingte Wartungsintervalle.

Nur so ist es möglich, Ereignisse zu qualifizieren. Ergebnisse können dabei direkt miteinander verglichen und ihre Entstehung wechselseitig simuliert bzw. überprüft werden. Dies ermöglicht das Ausfiltern von Meßfehlern und Lokalisieren von Störeinstrahlungen.

Alle Prüfstände müssen deshalb vom grundsätzlichen Aufbau her gleich sein.

Fig. 2 zeigt in Perspektive den Prüfling 11 mit Sensoren (Thermoelemen ten) 12 im Prüfkanal 10a. Die Meß- und Energieleitungen werden im Inne ren des Montageschaftes 21 von der Meßdatenerfassung zur Datenaufbe reitung 31 geführt. Der Montageschaft 21 innerhalb der Hohlwelle 20b des Hochleistungsspindelantriebs 20a ist triaxial aufgebaut (Fig. 3). Die Lager kühlung 20b der Hochleistungspindel bildet eine weitere Wärmebarriere zwischen dem Prüfling 11 = Sensor-/Aktor-bereich und der Datenaufbe reitung 33 und Digitalisierung. Unterhalb des Spindellagers befindet sich die trennbare(steckbare) Verbindung 32 vom Analog- zum Digitalbereich, was den gesamten Analogbereich bis zur Meßdatenerfassung im Prüfling 11 bzw. Prüfkanal 10a kalibrierbar macht. Unterhalb der Datenaufberei tungs- und Digitalisierungsebene 33 geschieht die berührungslose lokale Daten- und Leistungsübertragung vom Rotor zum Stator - vice versa; mit der Datenebene 51 im Zentrum und der Leistungsebene 53 in der dar über liegenden Schale. 61 zeigt die lokale Einspeisebene für Daten/elek trische Leistung und gleichzeitig den Verbindungspunkt von der stationären Ebene des Prüfstandes zur computerunterstützten Auswertung.

Fig. 3 zeigt schematisch die Prüstandsarchitektur des Laborprüfstandes nach Bewegungs- und Funktionsebenen mit lokaler Energieeinspeisung und Da tenkommunikation zur insitu Simulation realer Betriebsbedingungen.

Die rotierende Ebene 1, bestehend aus der Prüfebene 10, der Antriebse bene 20 und der rotorseitigen Datenkonditionierebene 30, ist galvanisch über einen Luftspalt von der lokalen Energieeinspeisung und Datenkom munikation 40 auf der stationären Ebene 2 getrennt. Die Energie- und Da tenübertragung geschieht berührungslos über einen Luftspalt 50. Dies er möglicht es, in der Versorgungsebene 60 einen hybriden Versorgungsbus 61 - Energie-/Steuerungs-/Datenbus - vom Diagnose-Center 70 bis in die rotierende Ebene 1 zu ziehen. Die DC/DC Wandler für den Energietransfer arbeiten kraftfrei und somit ohne mechanische Rückwirkung. Der zweischalige Prüfzylinder 11 bestehend aus Innenzylinder 11a und Außenzylinder 11b ist formschlüssing über ein Heizkabel 13 verschraubt. Das Heizkabel 13 vorzugsweise runder Form und gegebenenfalls mit me tallischem Außenmantel wird in die entsprechenden Gewindegänge des Innenzylinders 11a gewickelt und bildet dabei selbst die erhabenen (tra genden) Gewindeflanken zum forschlüssigen Aufschrauben des Außenzy linders 11b. Dies ermöglicht eine homogene Wärmeverteilung bei hoher Eigensteifigkeit, nötigenfalls einen schnellen Austausch der Heizleiter und den Erhalt der Prüfstandsteile. Bei kegeliger Auslegung der gemeinsamen Gewindeebene ergibt sich eine Steck-/Schraub-montage mit bestimmba rem Preßsitz der Teile je nach Anzugsmoment und Kegelverjüngung. Für Zentralmontagen als Aktor zur Temperaturkonditionierung eines bestimm ten Wellenabschnittes können Innen- und Außenzylinder in geteilter Form als Halbschalen gefertigt installiert werden. Für direkte Plus-/Minus- Temperatursteuerung des Prüfzylinders oder der Konditioniermanschette läßt sich bei zweigängigem Gewindeschnitt parallel zur Heizleitung ein ent sprechendes Rohr als Kühlmittelträger aufwickeln. Diese Konstruktion zeigt bei großen und schnellen Temperaturwechseln mechanische Vorteile ge genüber den heute üblichen Ausführungen, bei denen die Aktorleitungen mit einer Trägerkonstruktion mittelbar verlötet oder verschweißt werden - mit dem Nachteil der Spannungsrißbildung durch unterschiedliche Tempe raturkonstanten der Materialien und Verbindungsgefüge.

Die Verteilung der Thermoelemente 12 in Kanälen auf dem Umfang und in verschiedenen Abständen zur Außen-/Innenwand garantieren eine gute Erfassung des Wärmeflusses in beide Richtungen zur Wandung bei leich ter Austauschbarkeit der Elemente.

Der Prüfzylinder 11 ist mit dem Zylinder-Montageschaft 21 lösbar ver schraubt. Der Innenschaft 21a fixiert die Signal- und DC-Speiseleitungen für Anschaltungen des Prüfzylinders 11 im Zentrum.

Die Nuten am Innenschaft 21a führen die Energieleitungen direkt am Zy lindermontageschaft 21 und somit dicht am Spannungs-Nullpunkt 20a im Käfig des Kurzschlußläufers 20b. Die ideale Lage des Nullpunktes zwi schen Prüfebene 10 und Übertragungsebene 50 zeigt die gute Perfor mance der Störfestigkeit gegenüber Nahstörfeldern und der Störstrahlung aus und in die Umgebung.

Der Zylindermontageschaft 21 ist mit dem Rotorgehäuse 31 über ein Ge winde 21d mechanisch verbunden. Die Trennstelle der elektrischen Ver bindung 32 zwischen Montageschaft 21 und Rotorgehäuse 31 ist steckbar und durchgehend triaxial ausgelegt mit den Signal-/Sensorleitungen im Zentrum.

Die Transferebene 50 mit der berührungslosen lokalen Energieeinspeisung 53 und Datenkommunikation 52, 51 weißt mindestens eine Tranferstrecke auf - ist dies die Energiestrecke, kann gegebenenfalls die Ansteuerfre quenz des DC/DC-Wandlers im bit-Modus frequenzmoduliert werden.

Fig. 4 zeigt als Prüfling einen Turboläufer 14 mit installierten Turborädern 14a und Verdichter-Schaufelrädern 14b. Es handelt sich um ein reales Fertigteil, das zur Eigengrenzwertbestimmung mit einem Elektro-Fremd antrieb 20a (wie Fig. 1, 2, 3) über die mechanische Kupplung 22 und ei nem Kombistecker 32 verbunden ist. Die Sensor-/Aktorplattform 23 dient zum Einkoppeln von Störgrößen und der Meßdatenerfassung entspre chend der Prüfvorgabe für vornehmlich achsnahe Auswirkungen.

Als Basismeßwertaufnehmer hat ein Sensoraufbau wie in 1.4.6.1 mit Pie zoelementen und/oder 1.4.6.2 mit Quarzresonatoren als eine Einheit radial zur Welle montiert den Vorteil, Rundlauf, Wuchtbalance, Radialschwingun gen und Drehzahl gleichzeitig zu erfassen. Ein gegenseitiger Abgleich wie bei Einzelelementen und lokalen Differenzen entfällt.

Störgrößen vor oder nach Ereignissen wie z. B. Auswirkung von Ferti gungstoleranzen oder die verbliebene Unwucht nach einem Vogelschlag können durch Aktoren wie Stellmagnete, Piezoschwingungsgeber oder Festkörpermontagen erzeugt werden.

Die Installation von Wirbelstrom- und/oder Ultraschall-Aktoren und -emp fängern mit direktem Körperkontakt zum Wellenende auf der Plattform 23 ermöglicht parallel real-time Werkstoff- und Gefügeuntersuchungen. Die Installation einer gleichen oder gleichartigen Sensor-/Aktorplattform 35 empfiehlt sich in der Datenkonditionierebene 30 als Redundanzvergleich oder Eigenüberwachung. Auf den Plattformen 23, 35 bewirkt die Installati on des temperaturkompensierten Fliehkraftsensors nach 1.4.5.2 im Ver bund mit den Piezo- oder Quarzresonanzaufnehmern einen direkten Ver gleich auf gleicher Ebene.

Die Temperatur-Konditioniermanschnette 11 dient hier der Simulierung von lokaler Überhitzung z. B. durch Lagerschäden.

Ein wichtiger Parameter für das Prüfen des thermodynamischen Verhal tens der Turbine und Teile ist die Überwachung der eingespeisten Energie zur Generierung von Wärmefeldern und deren Verhalten. Eine online- Überwachung auch bei wechselndem Abstand des Spaltes von der dyna mischen zur stationären Ebene ist direkt im Spalt der Transferebene 50 gegeben. Wird z. B. ein Hallsensor 54 im Magnetfeld des rotorseitigen Teils des DC/DC-Übertragers installiert, ist eine reale online-Überwachung auch bei wechselnder Feldstärke bezogen auf den Umfang des Übertragerker nes möglich.

Der Vergleich der Abweichung der Hallspannung Stillstand/dynamischer Betrieb durch die Einwirkung der Zentrifugalkraft bei höheren Drehzahlen ergibt einen direkten Meßwert für die wirkende Fliehkraft.

Fig. 5 zeigt den Systemprüfstand zur Online-Diagnose. Die rotierende Seite wird über den Eigenantrieb 24 drehzahlgesteuert. Die Konfiguration und Montage der Sensor-/Aktorplattformen 23 und 35 richtet sich nach der Auslegung von Anlasser und Kupplung und zugänglichem Wellenstumpf der jeweiligen Turbinenbauart. Idealerweise ist der rotorseitige Datenkon ditionier- und Übertragungsbereich 30 zwar im Bereich 32 lösbar, jedoch konstant am Turbinenende installiert. In diesem Fall müßte zur Diagnose lediglich der stationäre Teil der Energieeinspeisung 40 mit Datenkommuni kation und Versorgungsbus 60 zum mobilen Monitoring und Diagnose center angeschaltet werden - elektrisch berührungslos.

Fig. 6 zeigt das elektrische Schema des triaxialen Aufbaus von der Meß datenerfasssung 12 im Prüfzylinder 11 bis zur Signalkonditionier- und -transferebene 50. Die Signalleitungen 12a liegen im Zentrum, geschirmt durch den Innenschaft 21a von den Energie- und Versorgungsleitungen 13a für die Konditionierung der Prüflinge. Die äußere durchgehende Schirmung vom Prüfzylinder 11 zum Rotorgehäuse 30 an der Trans ferebene 50 wird durch den Montageschaft 21 erfüllt. Im Zentrum des Ro torgehäuses 30 befindet sich die Signalkonditionierung 33 für den Transfer. Die Kondensatoren Cx, Dy wirken als symmetrisch-geschaltete Entstörung für die Signalleitungen.

Fig. 7 zeigt den triaxialen Aufbau zum Störschutz der Datenleitungen, der Signalaufbereitung 33 und Signalübertragungsebene 51 im Zentrum. In der darüber liegenden Schale befindet sich die Leistungsebene mit der Lei stungskonditionierung durch die Steuerungsdaten aus der separat ge schirmten Control-Data-Box 52a. Der induktive Power-Transfer 53 kann dann in einer Ebene mit dem (Steuerungs-)Controldatentransfer 52 statt finden. Die Steckverbindung 32 bildet die lösbare Verbindung zum Monta geschaft und die Möglichkeit der separten Kalibrierung zwischen der ana logen und der digitalen Ebene.

Fig. 8 zeigt den radial zur Achse liegenden Fliehkraftsensor mit dem par allel zur Drehachse liegenden Temperatur-Kompensationssensor 15 und dem gemeinsamen, jedoch galvanisch getrennten Bezugspunkt.

Fig. 9 zeigt die Anordnung von drei Piezosensoren 16 in einer Ebene, im gleichen Winkel zueinander und im gleichen Abstand zur Drehachse. Beim Druck durch die Zentrifugalkraft treten an allen 3 Ebenen gleiche La dungsdichten auf und erzeugen die gleiche Piezospannung Up. Bei Schwingungen z. B. durch Unwuchten, weichen die Spannungen in Fre quenz und Potential entsprechend der Störgröße voneinader ab. Die Spannungsdifferenz untereinander und bezogen auf den Dreh-, Kreisum fang der Anordnung gibt das Maß für Rundlauf und Unwucht, auch bei eventuell gleichzeitig anstehender Schwingungsvibration. Durch Verpolung einer Piezospannung können der Drehwinkel und die Drehzahl pro Umdre hung erfaßt werden.

Fig. 10 zeigt die Übertragung des Energiebusses 53 zusammen mit dem Steuerungsbus 52 und einer optischen Übertragungsstrecke für den schnellen Datenbus 51. Der Inverter 53b wird hier mit 24 V DC versorgt. Der integrierte Frequenzwandler wandelt diese 24 V DC z. B. in gepulste 90 V AC/50 kHz und gibt diese an die Ferritkernhälfte der Trans ferstrecke zur berührungslosen Übertragung auf die gegenüberliegende- Ferritkernhälfte 53d. Im Bild führt die gepulste AC Spannung direkt zur zweiten gleichartigen Transferstrecke 53f, g und wird nach der Übertragung vom Converter 53h z. B. auf 115 V DC zurückgewandelt. Die Frequenzan steuerung vom Inverter 53b und Converter 53h geschieht vorzugsweise über einen Industriebus mit Standard-Interface wie RS232/485 etc., der auch weitere Steuer- und Regelaufgaben übernehmen kann. Dessen Übertragung kann im induzierten Magnetfeld z. B. kapazitiv erfolgen. Wird am Einfügepunkt 53e ein weiteres Converter-/Inverterpaar installiert und vom Steuerbus separat eingestellt, so kann auch hier ein vom Eingang und Ausgang differenzierter Abgriff erfolgen. Die Modulatoren 52c, d des Steue rungsbusses 52 sind hier bereits installiert. Die schnelle Datenstrecke 51 kann über optische Drehübertrager z. B. in Faser/Linsenoptik realisiert wer den.

Claims

1. Vorrichtung zur Prüfung des Einflusses der Zentrifugalkraft auf feste, flüssige oder gasförmige Körper und insbesondere auf Teil für mecha nische oder elektronische Anwendungen unter Einsatzbedingungen, mit

- einem Stator, an dem Anschlüsse für elektrische Energie und ge gebenenfalls für Meßwertgeber angebracht sind,
- einem Rotor, der das zu prüfende mechanische und elektrische Teil trägt, oder der von dem zur prüfenden Teil gebildet wird,
- einer Übertragungseinheit, die elektrische Leistung vom Stator zum Rotor kontaktlos überträgt, und
- wenigstens einem am Rotor vorgesehenen Aktor, an dem die übertragene elektrische Leistung anliegt, und der für das zu prü fende Teil Einsatzbedingungen erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor das zu prüfende Teil auf die Einsatztemperatur und gegebenenfalls auf höhere Temperaturen er wärmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor ein Heizelement aufweist oder das Teil mittels direktem Stromdurchgang erwärmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor einen Wirbelstrom-Geber aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor eine mechanische Wirkung auf das zu prüfende Teil ausübt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor einen Ultraschall- oder einen Schwingungsgeber aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Rotor wenigstens ein Meßwertge ber vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinheit die Ausgangs signale des oder der Meßwertgeber kontaktlos zum Stator überträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinheit die Ausgangs signale des oder der Meßwertgeber berührend zum Stator überträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung des Rotors dynami sche Meßwertgeber vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber die Überwachung von Drehzahl, Rundlauf und Unwucht und/oder Drehwinkel erlauben.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwertgeber die Felddichte er faßt.