DE10138013A1

DE10138013A1 - Einrichtung zur Überwachung eines Verdichterrades

Info

Publication number: DE10138013A1
Application number: DE2001138013
Authority: DE
Inventors: Jakob Bucher
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: DE10138013B4; JP2003113795A; CH696215A5; JP4401061B2

Abstract

Eine Einrichtung zur Überwachung eines Verdichterrades weist mindestens einen Temperatursensor, eine Recheneinrichtung und einen Speicher auf. Die Recheneinrichtung ermittelt durch Verknüpfung des von dem Temperatursensor erfaßten Meßwertes der Temperatur mit in dem Speicher abgelegten empirischen Kenndaten des Verdichterrades fortlaufend mindestens eine Maßzahl, die mit einem Erwartungswert für die Lebensdauer des Verdichterrades in Zusammenhang steht. Die Recheneinrichtung kann in die Verknüpfung zur Ermittlung einer Maßzahl auch den von einem Drehzahlsensor erfaßten Meßwert der Drehzahl des Verdichterrades einbeziehen und somit zwei verschiedene Maßzahlen ermitteln, wobei in die erste Maßzahl nur die Temperatur und in die zweite Maßzahl sowohl die Temperatur, als auch die Drehzahl eingeht. Zweckmäßigerweise gibt eine solche Maßzahl zu jedem Zeitpunkt den bisher verbrauchten prozentualen Anteil der zu erwartenden Lebensdauer des Verdichterrades an.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung eines Verdichterrades, wie es in einem Abgasturbolader zur Verdichtung der Ansaugluft eines Motors zum Einsatz kommt. Diese üblicherweise aus Aluminium gefertigten Räder laufen wegen der hohen Drehzahl und der hohen Temperatur, die sich im Betrieb einstellt, teilweise an der Grenze der Werkstoffestigkeit und haben eine stark von den Einsatzbedingungen abhängige Lebensdauer. Diese sinkt mit zunehmender Drehzahl und mit zunehmender Temperatur, wobei die Zusammenhänge nur näherungsweise auf der Basis von Versuchsdaten beschreibbar sind.
Wird nun die Nutzungsdauer nach den ungünstigsten Einsatzbedingungen, d. h. nach der maximal zulässigen Drehzahl und der maximal möglichen Temperatur festgelegt, so ergibt sich eine zu kurze Zeitspanne und das Rad wird bereits lange vor dem tatsächlichen Ende seiner Lebensdauer ersetzt, was unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten unerwünscht ist. Werden andererseits wahrscheinliche Einsatzbedingungen, d. h. erwartete mittlere Drehzahl- und Temperaturwerte für die Abschätzung der Lebensdauer angesetzt, so besteht die Gefahr, daß das Rad infolge unerwartet ungünstiger Einsatzbedingungen vorzeitig versagt und einen Ausfall des gesamten Motors verursacht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die tatsächliche Lebensdauer eines Verdichterrades auch bei wechselnden Betriebsbedingungen möglichst genau vorherzusagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt in der einzigen Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
An einem in Fig. 1 nicht dargestellten Verdichterrad eines Abgasturboladers werden die Temperaturen θ_vV und θ_nV der Ansaugluft vor und nach dem Verdichterrad durch zwei Temperatursensoren 1A und 1B, z. B. in Form von Platin-Widerstandstemperatursensoren, erfaßt. Ferner wird die Drehzahl n des Verdichterrades durch einen Drehzahlsensor 2 erfaßt. In der Regel sind Abgasturbolader bereits serienmäßig mit einem Drehzahlsensor 2 ausgestattet, dessen Ausgangssignal für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
Eine Recheneinrichtung 4, bei der es sich vorzugsweise um einen Mikroprozessor handelt und die nachfolgend kurz als Rechner 4 bezeichnet wird, liest in periodischen Zeitabständen die mittels jeweiliger Analog-/Digital-Wandler 3A bis 3C digitalisierten Werte der Meßgrößen θ_vV, θ_nV und n ein. Der Rechner 4 hat Zugriff auf Speicher 5A, 5B und 5C. In dem Speicher 5A ist das Programm des Rechners 4 abgelegt, dessen Zweck eine adaptive Vorhersage der Lebensdauer T des Verdichterrades auf der Basis der Meßgrößen θ_vV, θ_nV und n sowie in dem Speicher 5B abgelegter empirischer Kenndaten des Verdichterrades ist. Zur Vorgabe des Zeittaktes, in dem der Rechner 4 die Werte der Meßgrößen θ_vV, V_nV und n einliest und auf deren Basis die zur Vorhersage der Lebensdauer T nötigen Berechnungen vornimmt, dient eine Echtzeituhr 8.
Die adaptive Vorhersage der Lebensdauer T, die in dem Programm des Rechners 4 verwirklicht ist, beruht auf der Tatsache, daß die Festigkeit der für die Herstellung von Verdichterrädern bevorzugten Werkstoffe, insbesondere von Aluminium, mit zunehmender Temperatur und bei erhöhter Temperatur auch mit zunehmender mechanischer Spannung abnimmt.
Hierbei läßt sich die Auswirkung der Abnahme der Festigkeit allein infolge zunehmender Temperatur auf die zu erwartende Lebensdauer T_A eines Verdichterrades näherungsweise durch die Formel

T_A = exp(α₂ - α₃.θ_M) (1)

beschreiben, in der exp die Exponentialfunktion bezeichnet, α₂ und α₃ zwei durch Versuche ermittelbare Konstanten sind und θ_M die höchste in dem Rad herrschende Metalltemperatur darstellt. Die erwartete Lebensdauer T_A ist die bis zur Abnahme der Festigkeit auf einen festgelegten Mindestwert verbleibende Zeit. Während die Konstanten α₂ und α₃ unmittelbar in dem Speicher 5B abgelegt sind, wird die charakteristische Temperatur θ_M von dem Rechner 4 nach der Formel

θ_M = θ_vV + α₁.(θ_nV - θ_vV) (2)

aus den gemessenen Temperaturwerten θ_nV und θ_vV berechnet, wobei α₁ wiederum ein in dem Speicher 5B abgelegter empirischer Faktor ist.
Gemäß der Formel (1), die der Rechner 4 zusammen mit der Formel (2) in periodischen Zeitabständen, z. B. zwischen 10 s und 100 s, auswertet, hat eine Änderung der Temperatur θ_M eine Änderung des aktuellen Erwartungswertes T_A der Lebensdauer zur Folge. Während bei einer konstanten Temperatur θ_M der verbrauchte Anteil der erwarteten Lebensdauer zu einem bestimmten Zeitpunkt gleich dem Verhältnis der bis zu diesem Zeitpunkt verstrichenen Betriebszeit des Verdichterrades zu dem - in diesem Fall konstanten - Wert der erwarteten Lebensdauer wäre, muß bei einem zeitlich variablen Erwartungswert T_A der Lebensdauer infolge veränderlicher Temperatur θ_M der Verlauf dieses Erwartungswertes T_A über die gesamte bisherige Betriebszeit in die Betrachtung einbezogen werden, d. h. der Verbrauch an erwarteter Lebensdauer muß über die Betriebszeit aufintegriert werden. Diese Integration wird durch den Rechner 4 nach folgender Formel angenähert:

X_A = 100.S.Σ(ΔT_i/T_Ai) (3)
In dieser Formel (3) ist ΔT_i die Länge des Zeitintervalls zwischen zwei Auswertungen der Formel (3) und T_Ai ist der sich aus den für das Zeitintervall ΔT_i gültigen Meßwerten θ_nV und θ_vV ergebende Erwartungswert der Lebensdauer. Dabei können dem Zeitintervall ΔT_i beispielsweise die arithmetischen Mittelwerte aus den jeweils an seinem Anfang und an seinem Ende erfaßten Meßwerten als gültig zugeordnet werden, oder es kann während eines laufenden Zeitintervalls ΔT_i für jede Meßgröße eine Reihe von Meßwerten erfaßt und jeweils deren Mittelwert oder auch deren Maximum dem Zeitintervall ΔT_i als gültig zugeordnet werden. S ist ein Sicherheitsfaktor, der in dem Speicher 5B abgelegt ist und nicht kleiner als Eins ist. Die Summe erstreckt sich über die gesamte bisherige Betriebszeit des Verdichterrades. Der Faktor 100 bewirkt dabei eine Skalierung in Prozent, d. h. daß die Maßzahl X_A bei der Inbetriebnahme des Verdichterrades den Wert Null und am Ende der erwarteten Lebensdauer den Wert 100 hat. Während des Betriebes gibt sie zu jedem Zeitpunkt den bisher verbrauchten Anteil der erwarteten Lebensdauer unter Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors S an.
Der Rechner 4 gibt die Maßzahl X_A über eine Anzeige 7 aus, um den Benutzer oder Bediener des Motors, dessen Bestandteil der das Verdichterrad enthaltende Abgasturbolader ist, über den aktuellen Stand des Lebensdauerverbrauches zu informieren, und protokolliert zusätzlich den zeitlichen Verlauf von X_A in einem dafür vorgesehenen Datenspeicher 5C.
Da die Lebensdauer eines Verdichterrades, wie zuvor erwähnt, bei erhöhter Temperatur zusätzlich auch von der herrschenden mechanischen Spannung abhängt, ermittelt der Rechner 4 eine weitere Maßzahl X_B aus der bereits zur Ermittlung der Maßzahl X_A nach der Formel (2) berechneten Temperatur θ_M und einer charakteristischen Spannung σ, die nahe dem äußeren Rand des Verdichterrades auftritt. Diese Spannung σ berechnet der Rechner 4 aus dem Meßwert der Drehzahl n nach folgender Formel:

σ = σ_max.(n/n_max)² (4)
In dieser Formel (4) ist σ_max ein empirischer Faktor und n_max die maximale Drehzahl des Verdichterrades, welche beide in dem Speicher 5B abgelegt sind.
Für jedes Wertepaar aus einer Temperatur θ_M und einer Spannung σ ergibt sich ein bestimmter Erwartungswert T_B der Lebensdauer, d. h. der bis zum Bruch einer Schaufel des Verdichterrades verbleibenden Zeit. Der Erwartungswert T_B ist also eine Funktion f(θ_M, σ) von zwei Variablen θ_M und σ, die ebenso wie der Erwartungswert T_A nur näherungsweise auf der Basis von Versuchsergebnissen dargestellt werden kann. Im einfachsten Fall kann dies in Form der Angabe einer Matrix von Stützstellen und einer geeigneten Interpolationsvorschrift geschehen.
Zweckmäßigerweise verfährt der Rechner 4 in Bezug auf das Kriterium der kombinierten Temperatur- und Spannungsbelastung genauso wie in Bezug auf das Kriterium der alleinigen Temperaturbelastung. Dies bedeutet, daß parallel zur Berechnung der Maßzahl X_A in gleichen Zeitabständen eine zweite Maßzahl X_B nach der zu (3) völlig analogen Formel

X_B = 100.S.Σ(ΔT_i/T_Bi) (5)

berechnet und ebenso wie die Maßzahl X_A über die Anzeige 7 ausgegeben und in dem Speicher 5C protokolliert wird.
Die Maßzahl X_B gibt ebenso wie die Maßzahl X_A zu jedem Zeitpunkt den prozentualen Anteil der verbrauchten Lebensdauer an, allerdings unter Zugrundelegung eines anderen Kriteriums. Je nach den herrschenden Temperatur- und Drehzahlwerten ist es möglich, daß sich eine der beiden Maßzahlen schneller dem Endwert von 100 annähert als die andere. Das Ende der Lebensdauer gilt als erreicht, sobald eine der beiden den Endwert von 100 erreicht hat.
Zusätzlich zur Ausgabe über die Anzeige 7 kann bei einer festlegbaren Höhe der Maßzahlen X_A und X_B auch ein Alarmsignal an eine übergeordnete Überwachungseinrichtung und/oder den oder die Bediener des Motors abgegeben werden. Die Meßwerte θ_vV, θ_nV und n sowie die Maßzahlen X_A und X_B werden für eine begrenzte Zeit alle abgespeichert. Nach Ablauf dieser Zeit werden die Daten mit aktuellen Daten überschrieben. Der hierfür vorgesehene Teil des Speichers 5C wird nach dem FIFO-Prinzip betrieben, d. h. die jeweils ältesten Daten werden mit neuen überschrieben. In wesentlich größeren Abständen, z. B. 1 h bis 12 h werden Daten in einem anderen Teil des Speichers 5C dauerhaft nichtflüchtig abgelegt.
Mit Hilfe eines anderen Programms, das auf tragbaren Rechnern läuft und eines Verbindungskabels können über die Schnittstelle 6 Konstanten in dem Speicher 5B verändert werden. Damit kann die Überwachungseinrichtung für jeden speziellen Einsatzfall auf den Typ des zu überwachenden Verdichterrades eingestellt werden. Außerdem lassen sich die dauerhaft in dem Speicher 5C abgelegten Daten über die Schnittstelle 6 auslesen und der Verlauf der Betriebsbedingungen kann anhand dieser Daten zurückverfolgt werden.
Es versteht sich von selbst, daß bei Motoren mit mehreren Turboladern und/oder bei Installationen mit mehreren Motoren auch mehrere Verdichterräder mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung überwacht werden können, wozu lediglich die Hardware, d. h. die Anzahl der angeschlossenen Sensoren, entsprechend erweitert und das Programm in Form einer sequentiellen Ausführung seiner Aufgaben für alle einzelnen Verdichterräder angepaßt werden muß.

Claims

1. Einrichtung zur Überwachung eines Verdichterrades, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Temperatursensor (1A, 1B), eine Recheneinrichtung (4), und einen Speicher (5B) aufweist, und daß die Recheneinrichtung (4) durch Verknüpfung des von dem Temperatursensor (1A, 1B) erfaßten Meßwertes der Temperatur mit in dem Speicher (5B) abgelegten empirischen Kenndaten des Verdichterrades fortlaufend mindestens eine Maßzahl X ermittelt, die mit einem Erwartungswert T für die Lebensdauer des Verdichterrades in Zusammenhang steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (4) in die Verknüpfung zur Ermittlung einer Maßzahl X den von einem Drehzahlsensor (2) erfaßten Meßwert der Drehzahl des Verdichterrades einbezieht.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (4) die Maßzahl X nach der Formel X = A.S.Σ(ΔT_i/T_i) berechnet, in der A ein fester Skalierungsfaktor, S ein in dem Speicher (5B) abgelegter Sicherheitsfaktor, ΔT_i die Länge eines vorbestimmten Zeitintervalls und T_i ein sich aus dem oder den für das Zeitintervall ΔT_i gültigen Meßwerten ergebender Erwartungswert der Lebensdauer ist, und sich die Summe über alle zur verstrichenen Betriebszeit des Verdichterrades gehörigen Zeitintervalle erstreckt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzeige (7) aufweist, über welche die Recheneinrichtung (4) die Maßzahl X ausgibt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Speicher (5C) aufweist, in welchem die Recheneinrichtung (4) die erfaßten Meßwerte und/oder den aktuellen Wert der Maßzahl X in vorbestimmten Zeitabständen ablegt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schnittstelle (6) aufweist, über welche die Kenndaten in dem Speicher (5B) geändert und die Meßwerte und/oder Maßzahlen aus dem Speicher (5C) ausgelesen werden können.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Speicher (5B) abgelegten empirischen Kenndaten den Erwartungswert T der Lebensdauer als Funktion einer in dem Verdichterrad herrschenden charakteristischen Temperatur θ_M beschreiben, und daß diese Temperatur θ_M aus dem oder den Meßwerten der Temperatur unter Verwendung weiterer in dem Speicher (5B) abgelegter empirischer Kenndaten berechenbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Speicher (5B) abgelegten empirischen Kenndaten einen Erwartungswert T_A beschreiben, der eine alleinige Funktion der Temperatur θ_M ist, und daß die Recheneinrichtung (4) eine Maßzahl X_A auf der Basis dieses Erwartungswertes T_A errechnet.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Speicher (5B) abgelegten empirischen Kenndaten einen Erwartungswert T_B beschreiben, der eine Funktion der Temperatur θ_M und einer charakteristischen mechanischen Spannung σ ist, daß diese Spannung σ aus dem Meßwert der Drehzahl unter Verwendung weiterer in dem Speicher (5B) abgelegter empirischer Kenndaten berechenbar ist, und daß die Recheneinrichtung (4) eine Maßzahl X_B auf der Basis dieses Erwartungswertes T_B errechnet.