DE102008014644A1

DE102008014644A1 - Drive shaft for propeller gondola, has sensor designed as fiber optic cable with bragg-grating-sensors, which determine shaft deformation, measures compression/tension stress lying at shaft and determines shaft temperature, respectively

Info

Publication number: DE102008014644A1
Application number: DE200810014644
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Linnert; Carl Udo Dr. Maier; Jochen Ostermaier; Jan Pellinghoff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2009-10-01

Abstract

The shaft (4) has a sensor designed as fiber optic cable (9) and as magneto electric sensors, where the cable exhibits bragg-grating-sensors (1-3). The bragg-grating-sensor (1) is provided for determining a deformation of the shaft. The bragg-grating-sensor (3) is provided for measuring compression/tension stress lying at the shaft. The bragg-grating-sensor (2) is provided for determining temperature of the shaft and is arranged perpendicular to an axle of the shaft. The bragg-grating-sensors and the magneto electric sensors are arranged in the region of the shaft in a contact-free manner. An independent claim is also included for a method for operating a propeller gondola.

Description

Eine besondere Form der Schiffsantriebe sind die sog. Pod-Antriebe oder Propellergondeln. Diese sind Antriebs-Systeme mit Propellern, die bevorzugt außerhalb des eigentlichen Schiffskörpers realisiert sind und dadurch eine größere Flexibilität aufweisen. So sind die Propellergondeln beispielsweise frei in der Ebene drehbar und erlauben so eine wesentlich flexiblere Steuerung eines Schiffs.A special form of ship propulsion are the so-called pod drives or propeller pods. These are propulsion systems with propellers, which are preferred outside realized the actual hull and thereby have greater flexibility. For example, the propeller pods are freely rotatable in the plane and thus allow a much more flexible control of a ship.

Für die optimale Regelung des Betriebs einer Propellergondel ist es interessant zu ermitteln, welche mechanische Leistung ein jeweiliger Propeller nutzbar macht. Es ist bekannt, diese Leistung aus der vom Motor des Propellers aufgenommenen elektrischen Leistung zu bestimmen. Nachteilig ist, dass mit dieser Methode bei Propellergondeln mit zwei oder mehr Propellern nur noch sehr ungenaue Ergebnisse erzielt werden können und dafür auch noch ein erheblicher Rechenaufwand benötigt wird.For the optimal Regulation of the operation of a propeller pod is interesting too Determine which mechanical power a particular propeller can be used power. It is well known that this power comes from the engine of the propeller to determine recorded electrical power. The disadvantage is that with this method with propeller pods with two or more Propellers only very inaccurate results can be achieved and for that too still a considerable amount of computation is needed.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Antriebswelle für eine Propellergondel anzugeben, die eine Bestimmung der mechanischen nutzbar gemachten Leistung von dem oder jedem der an der Antriebswelle vorgesehenen Antriebselemente wie beispielsweise Propeller ermöglicht. Weiterhin soll ein Betriebsverfahren für eine Propellergondel angegeben werden, mit dem eine Bestimmung der mechanischen nutzbar gemachten Leistung von dem oder jedem der an der Antriebswelle vorgesehenen Antriebselemente wie beispielsweise Propeller ermöglicht wird.The The object underlying the invention is to provide a drive shaft for one Specify propeller nacelle, which is a provision of mechanical usable made power of the or each of the provided on the drive shaft Drive elements such as propeller allows. Furthermore, an operating method for a propeller nacelle is specified with which a determination of the mechanical harnessed Power from the or each of the provided on the drive shaft drive elements such as propeller allows becomes.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Antriebswelle durch eine Antriebswelle mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Betriebsverfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.These Task is with respect to the drive shaft by a drive shaft solved with the features of claim 1. Regarding the operating procedure The object is achieved by a method for operating a drive system solved with the features of claim 13. The dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.

Die erfindungsgemäße Antriebswelle für eine Propellergondel weist wenigstens einen Sensor auf, derart ausgestaltet, dass eine Verwindung der Antriebswelle und an der Antriebswelle anliegende Zug/Druck-Spannungen bestimmbar sind. Bei der Propellergondel handelt es sich bevorzugt um einen Schiffsantrieb mit zwei oder mehr Propellern. Alternativ kann auch nur ein Propeller vorgesehen sein. Die Propellergondel kann alternativ zum Schiffsantrieb auch beispielsweise als Unterwasserpumpe eingesetzt werden.The Drive shaft according to the invention for one Propeller pod has at least one sensor, designed in such a way, that a torsion of the drive shaft and on the drive shaft adjacent train / pressure voltages can be determined. At the propeller pod it is preferably a marine propulsion with two or more propellers. Alternatively, only one propeller can be provided be. The propeller nacelle can also be used as an alternative to the ship's propulsion For example, be used as an underwater pump.

Der Sensor oder die zwei oder mehr Sensoren, die bei der Antriebswelle vorgesehen sind, sind in der Lage, Messwerte für die Verwindung der Antriebswelle zu erzeugen. Aus der Verwindung kann auf das wirkende Drehmoment geschlossen werden. Auch die Richtung des Drehmoments ist bevorzugt ermittelbar. Weiterhin sind Messwerte für auf die Antriebswelle wirkende Zug/Druck-Spannungen erzeugbar. Aus diesen kann wiederum auf erzeugte Schubkräfte parallel zur Achse der Antriebswelle geschlossen werden. Dabei ist es möglich, dass ein Sensor alle Messwerte erzeugt. Ebenfalls möglich ist, dass zwei Sensoren beispielsweise in redundanter Weise oder ortsaufgelöst die Messwerte erzeugen, wobei jeder Sensor Verwindung und Zug/Druck-Spannungen messen kann. Schließlich ist es alternativ auch möglich, dass zwei Sensoren vorgesehen sind, wobei einer die Verwindung und der andere Zug/Druck-Spannungen messen kann. Es ist klar, dass bei mehr als einem Sensor jede Vermischung der aufgezählten Möglichkeiten verwendet werden kann.Of the Sensor or the two or more sensors connected to the drive shaft are provided, are capable of measuring the torsion of the drive shaft to create. From the twisting can affect the acting torque getting closed. The direction of the torque is preferably determined. Furthermore, measured values for can be generated on the drive shaft tensile / compressive stresses. Out this in turn can be generated parallel to the axis of generated shear forces Drive shaft to be closed. It is possible that one sensor all Generated measured values. It is also possible that two sensors, for example, in a redundant or spatially resolved the measured values generate, with each sensor twisting and tensile / compressive stresses can measure. After all Alternatively, it is also possible that two sensors are provided, one of the torsion and the other train can measure tension / pressure. It is clear that at more than one sensor any mixing of the listed possibilities can be used.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass aus den gemessenen Daten insbesondere bei zwei Propellern, die für eine Kraftwirkung auf die Welle sorgen, ermittelt werden kann, welche Leistung mechanisch nutzbar gemacht wird.The inventive solution the advantage that from the measured data, especially at two Propellers for provide a force on the shaft, it can be determined which Performance is made mechanically usable.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor als Lichtwellenleiter mit zwei, drei, vier oder mehr Bragg-Gitter-Sensoren ausgestaltet. Ein Lichtwellenleiter in Verbindung mit den Bragg-Gitter-Sensoren weist den Vorteil auf, dass er wenig Platz braucht und gegenüber elektrischen und mechanischen Störungen unempfindlich ist. Weiterhin findet die Auslesung von Messwerten optisch über den Lichtwellenleiter statt, was eine Verlegung von elektrischen Kabeln für die Sensoren zumindest im Bereich der Antriebswelle überflüssig macht. Bevorzugt werden zwei Bragg-Gitter für eine Messung der Verwindung und ein Bragg-Gitter für eine Messung der Zug/Druck-Spannungen verwendet, wobei es besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist, wenn die Bragg-Gitter für die Messung der Verwindung in einem Winkel von 45° zur Achse der Antriebswelle und das Bragg-Gitter für die Messung der Zug/Druck-Spannungen parallel zur Achse der Antriebswelle angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, dass neben der Messung der Werte für Verwindung und Zug/Druck-Spannungen die einzelnen Bragg-Gitter-Sensoren möglichst unempfindlich gegenüber der anderen Messgröße sind und weiterhin auch die Richtung der Verwindung bestimmt werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, the sensor is as Optical fiber with two, three, four or more Bragg grating sensors designed. An optical fiber in conjunction with the Bragg grating sensors has the advantage that it takes up little space and electrical and mechanical disturbances insensitive. Furthermore, the readout of measured values takes place optically over the optical fiber instead, causing a transfer of electrical Cables for makes the sensors superfluous, at least in the area of the drive shaft. Preference is given to two Bragg gratings for a measurement of twisting and a Bragg grating for It uses a measurement of tensile / compressive stresses, being particularly appropriate and advantageous if the Bragg gratings for the measurement of twisting at an angle of 45 ° to the Axle of the drive shaft and the Bragg grating for measuring the tension / compression stresses are arranged parallel to the axis of the drive shaft. hereby is achieved in addition to measuring the values for twisting and Pull / push voltages the individual Bragg grating sensors as possible insensitive to the other measurand are and furthermore the direction of twisting can be determined.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird ein magnetoelastischer Sensor verwendet. Bevorzugt sind dabei ein magnetoelastischer Sensor für die Messung der Verwindung und ein weiterer magnetoelastischer Sensor für die Messung von Zug/Druck-Spannungen vorgesehen. Diese sind dabei durch die Anordnung ihrer Spulen wiederum so ausgestaltet, dass sie möglichst wenig querempfindlich sind. Es ist dabei zweckmäßig, wenn die Antriebswelle wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, um die magnetoelastische Messung zu ermöglichen.In an alternative embodiment of the invention, a magnetoelastic sensor is used. In this case, a magnetoelastic sensor for the measurement of the torsion and a further magnetoelastic sensor for the measurement of tension / compression stresses are preferably provided. These are in turn designed by the arrangement of their coils so that they are as little cross-sensitive. It is useful if the An Drive shaft is at least partially made of a ferromagnetic material to allow the magnetoelastic measurement.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebswelle wenigstens einen Sensor zur Bestimmung der Temperatur auf. Die Bestimmung der Temperatur lässt eine bessere Überwachung des Zustands der Propellergondel zu und lässt eventuelle Einflüsse von außen besser erkennen.In an advantageous embodiment of the invention, the drive shaft at least one sensor for determining the temperature. The determination the temperature leaves better monitoring the condition of the propeller nacelle and leaves possible influences of Outside recognize better.

Wird ein Lichtwellenleiter als Sensor verwendet, so kann in diesen in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der Sensor zur Bestimmung der Temperatur als Bragg-Gitter im Lichtwellenleiter ausgestaltet sein. Hierdurch sind Einbau und Auslesung des Temperatursensors besonders einfach und platzsparend. Es ist zweckmäßig, dieses Bragg-Gitter senkrecht zur Achse der Antriebswelle anzuordnen, da hierdurch der Einfluss von Zug/Druck-Spannungen und Verwindung auf den Sensor möglichst gering wird. Hierdurch wird die Genauigkeit der Temperaturmessung erhöht.Becomes an optical fiber used as a sensor, so may in these in an advantageous embodiment of the invention, the sensor for determining the temperature designed as a Bragg grating in the optical waveguide be. As a result, installation and readout of the temperature sensor very easy and space saving. It is appropriate, this Bragg grating to arrange perpendicular to the axis of the drive shaft, there as a result, the influence of tensile / compressive stresses and distortion the sensor as possible becomes low. This will increase the accuracy of the temperature measurement elevated.

Bei der Antriebswelle kann es sich um eine massive oder eine Hohlwelle handeln. Bevorzugt ist der Sensor bei der massiven Antriebswelle auf der Antriebswelle angebracht, während er im Falle eine Hohlwelle bevorzugt in der Welle angebracht ist. Es ist jedoch auch umgekehrt möglich, den Sensor in einer ansonsten massiven Welle anzuordnen oder auf eine Hohlwelle. Durch die Anordnung in der Welle wird außerhalb der Welle Platz gespart, während bei der Anordnung auf der Welle vor allem bei einer massiven Welle der Aufwand beim Einbau des Sensors deutlich geringer ausfällt.at The drive shaft may be a solid or a hollow shaft act. Preferably, the sensor in the massive drive shaft mounted on the drive shaft, while in the case of a hollow shaft preferably mounted in the shaft. It is also the other way round possible, to arrange the sensor in an otherwise massive shaft or on a Hollow shaft. Due to the arrangement in the shaft is outside the wave saved space while in the arrangement on the shaft, especially in a massive wave the cost of installing the sensor is significantly lower.

Ist der Sensor als magnetoelastischer Sensor ausgestaltet, so kann er in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung berührungslos im Bereich der Antriebswelle angeordnet sein. Hierdurch wird eine Vermessung der bereits beschriebenen mechanischen Einwirkungen auf die Antriebswelle ermöglicht, bei der die Welle zumindest durch den magnetoelastischen Sensor selbst mechanisch unbeeinflusst ist, wodurch die Genauigkeit der Messung erhöht wird.is the sensor designed as a magnetoelastic sensor, so he can in an advantageous embodiment of the invention without contact be arranged in the region of the drive shaft. This will be a Measurement of the mechanical effects already described allows the drive shaft in which the shaft at least by the magnetoelastic sensor itself is mechanically unaffected, reducing the accuracy of the Measurement increased becomes.

Es ist auch möglich, magnetoelastische Sensoren und Faser-Bragg-Sensoren zu kombinieren, um beispielsweise eine verbesserte Genauigkeit der Messungen zu erhalten. Die Faser-Bragg-Sensoren können hierbei auch beispielsweise nur zur Messung der Temperatur herangezogen werden, während die mechanischen Größen über die magnetischen Eigenschaften der Antriebswelle ermittelt werden.It is possible, too, to combine magnetoelastic sensors and fiber Bragg sensors, for example to obtain an improved accuracy of the measurements. The fiber Bragg sensors can do this also used for example only for measuring the temperature be while the mechanical sizes over the magnetic properties of the drive shaft can be determined.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der Propellergondel wird der Sensor zur Bestimmung von Zug/Druck-Spannungen und Verwindung der Antriebswelle verwendet. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Sensor oder die Sensoren weiterhin zur Bestimmung von Schwingungen der Antriebswelle verwendet.at the method according to the invention To operate the propeller nacelle, the sensor is used to determine Tensile / compressive stresses and torsion of the drive shaft used. In a particularly advantageous embodiment of the invention the sensor or sensors continue to determine vibrations used the drive shaft.

Die so ermittelten Messwerte des Sensors können vorteilhaft zu einem oder mehreren der folgenden Möglichkeiten verwendet werden:

– Ermittlung des jeweiligen Anteils der Leistung eines von mehreren mit der Antriebswelle verbundenen Antriebspropellern des Antriebssystems;
– Bestimmung von Alter oder Restlebensdauer der Welle;
– Erkennung von Schäden;
– Regelung des Antriebssystems.

The measured values of the sensor thus determined can advantageously be used for one or more of the following possibilities:

- Determining the respective proportion of the power of one of a plurality of driving propellers connected to the drive shaft of the drive system;
- determination of age or remaining life of the wave;
- detection of damage;
- Control of the drive system.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen schematisch:Further Advantages and details of the invention will be apparent from in the Drawing illustrated embodiments explained. Here are shown schematically:

1 eine hohle Antriebswelle mit innen liegendem optischen Sensor, 1 a hollow drive shaft with an internal optical sensor,

2 eine Antriebswelle mit außen liegendem optischen Sensor, 2 a drive shaft with an external optical sensor,

3 eine Spulenanordnung für eine Torsionsmessung mittels magnetoelastischem Sensor, 3 a coil arrangement for a torsion measurement by means of a magnetoelastic sensor,

4 eine Spulenanordnung für eine Messung von Zug/Druck-Spannungen, 4 a coil arrangement for measuring tension / compression stresses,

5 eine hohle Antriebswelle mit innen liegenden magnetischen Sensoren im Schnitt in Seitenansicht, 5 a hollow drive shaft with internal magnetic sensors in section in side view,

6 eine hohle Antriebswelle mit innen liegenden magnetischen Sensoren in Sicht entlang der Wellenachse, 6 a hollow drive shaft with internal magnetic sensors in view along the shaft axis,

7 eine Antriebswelle mit außen liegenden magnetischen Sensoren in Seitenansicht, 7 a drive shaft with external magnetic sensors in side view,

8 eine Antriebswelle mit außen liegenden magnetischen Sensoren in Sicht entlang der Wellenachse, 8th a drive shaft with external magnetic sensors in view along the shaft axis,

9 eine Antriebswelle mit berührungslos angeordneten magnetischen Sensoren in Seitenansicht, 9 a drive shaft with non-contact magnetic sensors in side view,

10 eine Antriebswelle mit berührungslos angeordneten magnetischen Sensoren in Sicht entlang der Wellenachse. 10 a drive shaft with non-contact magnetic sensors in view along the shaft axis.

Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele behandeln jeweils die Anordnung von Sensoren 1–3, 6, 8 im Bereich, auf oder in einer Welle 4 eines Pod-Schiffsantriebs. Dieser hat einen oder bevorzugt zwei Propeller, die allerdings in den Figuren nicht gezeigt sind. Die Figuren beschränken sich dabei in der Darstellung auf die Welle 4 und die Sensoren 1–3, 6, 8. Eine Anordnung der Sensoren 1–3, 6, 8 innerhalb der Welle 4 ist einfach machbar, wenn die Welle 4 als Hohlwelle 4 ausgestaltet ist. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich; es ist auch vorstellbar, die Sensoren 1–3, 6, 8 in eine massive Welle 4 einzubetten, indem sie beispielsweise im Falle der optischen Sensoren 1–3 in Kanälen geführt werden. Andersherum ist es natürlich auch möglich, die Sensoren 1–3, 6, 8 außen auf einer Hohlwelle 4 aufzubringen. Jedoch erscheint es vorteilhaft, bei einer Hohlwelle 4 die Innenseite zu nutzen, da dort keine oder weniger anderweitige Aufbauten sitzen.The embodiments described below each deal with the arrangement of sensors 1 - 3 . 6 . 8th in the field, on or in a wave 4 a pod ship propulsion. This one or preferably two propellers, which are not shown in the figures. The figures are limited in the representation of the wave 4 and the sensors 1 - 3 . 6 . 8th , An arrangement of the sensors 1 - 3 . 6 . 8th within the wave 4 is just feasible when the wave 4 as a hollow shaft 4 is designed. However, this is not absolutely necessary; it is also conceivable the sensors 1 - 3 . 6 . 8th in a massive wave 4 by embedding, for example, in the case of optical sensors 1 - 3 be guided in channels. On the other hand, it is of course also possible, the sensors 1 - 3 . 6 . 8th outside on a hollow shaft 4 applied. However, it appears advantageous in a hollow shaft 4 to use the inside, because there are no or less other bodies.

1 zeigt eine Welle 4, anhand derer das erste Ausführungsbeispiel beschrieben wird. Die Welle 4 ist als Hohlwelle 4 ausgestaltet. Vorzugsweise an der Innenwandung der Welle 4 ist eine optische Faser 9 entlang geführt. Der Weg der optischen Faser 9 ist dabei im Rahmen dessen frei gestaltbar, was die optische Faser 9 selbst erlaubt. Die optische Faser 9 enthält in diesem Beispiel 4 Faser-Bragg-Gitter, die als Faser-Bragg-Sensoren 1–3 (FBG-Sensoren 1–3) fungieren. Im Bereich der FBG-Sensoren 1–3 ist die optische Faser zweckmäßig so geführt, dass die Sensoren in einem bestimmten Winkel an der Innenwandung der Welle 4 anliegen. So liegt ein FBG-Sensor 2 zur Messung der Temperatur senkrecht zur Achse der Welle 4. Ein weiterer FBG-Sensor für Zug/Druck-Spannungen 3 liegt parallel zur Achse der Welle 4. Zwei weitere FBG-Sensoren zur Messung der Torsinn der Welle 4, d. h. des anliegenden Drehmoments, liegen in einem 45°-Winkel zur Achse und sind senkrecht zueinander angeordnet. Die optische Faser 9 bildet bevorzugt um den Temperatursensor 2 herum eine Schleife. Dadurch wird das Auftreten von Zugspannungen vermieden, die das Messergebnis verfälschen würden. 1 shows a wave 4 on the basis of which the first embodiment will be described. The wave 4 is as a hollow shaft 4 designed. Preferably on the inner wall of the shaft 4 is an optical fiber 9 guided along. The path of the optical fiber 9 is freely designable in the context of what the optical fiber 9 even allowed. The optical fiber 9 contains in this example 4 fiber Bragg gratings acting as fiber Bragg sensors 1 - 3 (FBG sensors 1 - 3 ) act. In the field of FBG sensors 1 - 3 The optical fiber is suitably guided so that the sensors at a certain angle to the inner wall of the shaft 4 issue. So is an FBG sensor 2 for measuring the temperature perpendicular to the axis of the shaft 4 , Another FBG sensor for tension / compression 3 lies parallel to the axis of the shaft 4 , Two more FBG sensors to measure the torsion of the shaft 4 , ie the applied torque, are at a 45 ° angle to the axis and are arranged perpendicular to each other. The optical fiber 9 preferably forms around the temperature sensor 2 around a loop. This avoids the occurrence of tensile stresses that would falsify the measurement result.

Hierzu ist die optische Faser 9 wie folgt angeordnet: Von einem ersten Ende der Welle 4 kommend beschreibt die optische Faser 9 auf der Innenwandung der Welle 4 einen eineinhalbfachen, entlang der Achse der Welle 4 gestreckten Kreis und läuft auf der gegenüberliegenden Seite der Innenwandung zum ersten Ende zurück.This is the optical fiber 9 arranged as follows: From a first end of the shaft 4 Coming describes the optical fiber 9 on the inner wall of the shaft 4 one and a half times, along the axis of the shaft 4 stretched circle and runs on the opposite side of the inner wall back to the first end.

In vereinfachten Ausführungsformen der Beispiele können auch weniger als die vier Sensoren 1–3, 6, 8 zum Einsatz kommen, indem beispielsweise bestimmte Messgrößen nicht gemessen werden, während in komplexeren Ausführungsformen auch mehr Sensoren 1–3, 6, 8 verwendet werden können, beispielsweise um eine Signalredundanz zu ermöglichen oder eine ortsaufgelöste Messung.In simplified embodiments of the examples, fewer than the four sensors may also be used 1 - 3 . 6 . 8th For example, certain measurements are not measured, while in more complex embodiments more sensors are used 1 - 3 . 6 . 8th can be used, for example, to allow signal redundancy or a spatially resolved measurement.

Die FBG-Sensoren 1–3 sind bekanntermaßen in der Lage, Änderungen in ihrer Länge, d. h. Dehnungen oder Stauchungen zu registrieren und ein entsprechendes Signal zu erzeugen. Hierzu wird Licht mit einem breiten Spektrum in die optische Faser 9 eingestrahlt und Veränderungen der Reflexion gemessen und ausgewertet.The FBG sensors 1 - 3 are known to be able to register changes in their length, ie strains or compressions, and to generate a corresponding signal. For this purpose, light with a broad spectrum in the optical fiber 9 irradiated and measured changes in the reflection and evaluated.

Der parallel zur Achse der Welle 4 angeordnete FBG-Sensor 3 registriert demnach hauptsächlich Zug/Druck-Spannungen, die sich in einer Änderung der Länge der Welle 4 und damit des FBG-ors 3 niederschlagen. Die in 45°-Winkel zur Achse angeordneten FBG-Sensoren 1 registrieren eine Verwindung der Welle 4, wobei die zueinander senkrecht angeordneten FBG-Sen soren 1 erlauben, die Richtung der Verwindung und somit die Richtung des Drehmoments zu ermitteln.The parallel to the axis of the shaft 4 arranged FBG sensor 3 Thus, it mainly registers tension / compression stresses resulting in a change in the length of the shaft 4 and with it the FBG-ors 3 knock down. The 45 ° angle to the axis arranged FBG sensors 1 register a twist of the shaft 4 , wherein the mutually perpendicular FBG Sen sensors 1 allow to determine the direction of twisting and thus the direction of the torque.

Der senkrecht zur Achse angeordnete FBG-Sensor 2 schließlich wird nur geringfügig von einer Verwindung, Stauchung oder Drehung der Welle 4 beeinflusst. Er kann deshalb zu einer Messung von Änderungen der Temperatur der Welle 4 herangezogen werden, die sich in einer Änderung der Ausdehnung der Welle 4 auch senkrecht zur Achse äußert.The FBG sensor arranged perpendicular to the axis 2 Finally, there is only a slight twisting, compression or rotation of the shaft 4 affected. It can therefore be used to measure changes in the temperature of the shaft 4 be used, resulting in a change in the extent of the wave 4 also perpendicular to the axis expresses.

Die FBG-Sensoren 1–3 können zusätzlich in diesem Beispiel gemeinsam oder teilweise zu einer Detektion von Schwingungen der Welle 4 herangezogen werden. Schwingungen äußern sich je nach ihrer Art im Messsignal jedes der FBG-Sensoren 1–3 als vergleichsweise hochfrequenter Anteil.The FBG sensors 1 - 3 Additionally, in this example, all or part of them may be used to detect vibrations of the shaft 4 be used. Depending on their nature, vibrations are expressed in the measurement signal of each of the FBG sensors 1 - 3 as a comparatively high-frequency component.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in 2 skizziert. Dieses Beispiel ist weitgehend ähnlich zum ersten Beispiel, jedoch ist in diesem Fall die optische Faser 9 auf der Außenseite der Welle 4 entlang geführt. Diese Variante ist zweckmäßig, wenn es sich bei der Welle 4 um eine massive Welle 4 handelt. Natürlich kann es sich bei der Welle 4 auch um eine Hohlwelle handeln.A second embodiment is in 2 outlined. This example is largely similar to the first example, but in this case the optical fiber 9 on the outside of the shaft 4 guided along. This variant is useful when it comes to the shaft 4 a massive wave 4 is. Of course it can be at the shaft 4 also act around a hollow shaft.

Bei den weiteren, in den 5–10 dargestellten Ausführungsbeispielen kommt ein anderer Sensortyp zum Einsatz. Statt der FBG-Sensoren 1–3 werden hier magnetoelastische Sensoren 6, 8 eingesetzt. 3 zeigt eine Anordnung der Spulen 7 für einen magnetoelastischen Torsionssensor 6, während 4 die Anordnung der Spulen 7 für einen magnetoelastischen Zug/Druckspannungssensor 8 zeigt. Bei beiden Sensortypen 6, 8 sind jeweils 5 Spulen kreuzförmig angeordnet, wobei das Kreuz beim Torsionssensor 6 um 45° gedreht ist. Beim Torsionssensor 6 sind also je drei Spulen in Reihe jeweils in einem 45°-Winkel zur Achse der Welle 4 angeordnet, während beim Zug/Druckspannungssensor 8 jeweils drei Spulen senkrecht und parallel zur Achse der Welle 4 angeordnet sind.In the others, in the 5 - 10 illustrated embodiments, another sensor type is used. Instead of the FBG sensors 1 - 3 become magnetoelastic sensors 6 . 8th used. 3 shows an arrangement of the coils 7 for a magnetoelastic torsion sensor 6 , while 4 the arrangement of the coils 7 for a magnetoelastic tension / compression sensor 8th shows. For both sensor types 6 . 8th each 5 coils are arranged in a cross shape, wherein the cross in the torsion sensor 6 rotated by 45 °. At the torsion sensor 6 So are each three coils in series each at a 45 ° angle to the axis of the shaft 4 arranged while train / compressive stress sensor 8th three coils each perpendicular and parallel to the axis of the shaft 4 are arranged.

Die 5 und 6 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorgehensweise. In diesem Fall handelt es sich bei der Welle 4 wiederum um eine Hohlwelle 4. Die beiden magnetoelastischen Sensoren 6, 8 sind einander gegenüberliegend auf der Innenwandung der Welle 4 angeordnet. Sie sind in der Lage, Zug/Druckspannungen, eine Verwindung der Welle 4 und – gemeinsam – Schwingungen aufzunehmen. Eine direkte Temperaturmessung ist mit den magnetoelastischen Sensoren 6, 8 nicht möglich. Hierzu kann aber beispielsweise ein FBG-Sensor 2 oder ein Pt100-Element oder ein anderer Temperatursensor verwendet werden.The 5 and 6 show a third embodiment of the procedure according to the invention. In this case, it is the wave 4 turn around a hollow shaft 4 , The two magnetoelastic sensors 6 . 8th are opposite each other on the inner wall of the shaft 4 arranged. You are able to train / compressive stresses, a twist of the shaft 4 and - together - to absorb vibrations. A direct temperature measurement is with the magnetoelastic sensors 6 . 8th not possible. For this purpose, but for example, an FBG sensor 2 or a Pt100 element or another temperature sensor.

Das vierte Ausführungsbeispiel gemäß der 7 und 8 stimmt wiederum weitgehend mit dem dritten Beispiel überein. Lediglich sind hier die magnetoelastischen Sensoren 6, 8 wiederum auf der Außenseite der Welle 4 angeordnet. Einen Vorteil der magnetoelastischen Sensoren 6, 8 ist im letzten Ausführungsbeispiel gemäß der 9 und 10 gezeigt. Hier sind die Sensoren 6, 8 mit einem gewissen Abstand zur Welle 4 angeordnet, berühren diese also nicht. Hierdurch wird beispielsweise eine von den Sensoren 6, 8 selbst unverfälschte Messung ermöglicht. Auch der Betrieb des Antriebs ist somit von den Sensoren 6, 8 unbeeinflusst.The fourth embodiment according to the 7 and 8th again largely agrees with the third example. Only here are the magnetoelastic sensors 6 . 8th turn on the outside of the shaft 4 arranged. An advantage of magnetoelastic sensors 6 . 8th is in the last embodiment according to the 9 and 10 shown. Here are the sensors 6 . 8th with a certain distance to the shaft 4 arranged, so do not touch them. As a result, for example, one of the sensors 6 . 8th even unadulterated measurement allows. The operation of the drive is thus of the sensors 6 . 8th unaffected.

Jedes der Beispiele für die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht es, vor allem mechanische Daten über die Welle 4 zu erhalten. Diese Daten erlauben es, den Antrieb sowohl bei Ein- als auch bei Mehrpropeller-Systemen besser zu regeln und so beispielsweise eine vorzeitige Alterung zu vermeiden. Weiterhin erlauben es die Messdaten auch, Erscheinungen der Alterung zu erkennen und somit beispielsweise ein Versagen des Antriebs zu erkennen, bevor es eintritt. Auch lassen die Messdaten einen genauen Rückschluss auf die tatsächlich für den Vortrieb des Schiffes aufgebrachte Kraft zu. Die für einen Schiffsantrieb gemachten Aussagen im Rahmen der Ausführungsbeispiele lassen sich ebenfalls auf beispielsweise Wasserpumpen anwenden, die nach dem gleichen Prinzip funktionieren.Each of the examples of the procedure according to the invention makes it possible, above all, mechanical data about the shaft 4 to obtain. These data make it possible to better control the drive for both single and multi-propeller systems, thus avoiding, for example, premature aging. Furthermore, the measurement data also allow to detect signs of aging and thus to detect, for example, a failure of the drive before it occurs. The measurement data also allow an accurate conclusion to the force actually applied for the propulsion of the ship. The statements made for a marine propulsion within the scope of the embodiments can also be applied to, for example, water pumps that operate on the same principle.

Claims

Drive shaft ( 4 ) for a propeller pod with at least one sensor ( 1 - 3 . 6 . 8th ), such that a torsion of the drive shaft ( 4 ) and on the drive shaft ( 4 ) applied tensile / compressive stresses can be determined.

Drive shaft ( 4 ) according to claim 1, wherein the sensor ( 1 - 3 . 6 . 8th ) as optical waveguide ( 9 ) with one or more Bragg grating sensors ( 1 - 3 ) is configured.

Drive shaft ( 4 ) according to claim 2, wherein the optical waveguide ( 9 ) two Bragg grating sensors ( 1 ) for a measurement of the distortion and a Bragg grating sensor ( 3 ) for a measurement of the tensile / compressive stresses.

Drive shaft ( 4 ) according to claim 3, wherein the Bragg grating sensors ( 1 ) for measuring the torsion at an angle of 45 ° to the axis of the drive shaft ( 4 ) and the Bragg grating sensor ( 3 ) for the measurement of the tensile / compressive stresses parallel to the axis of the drive shaft ( 4 ) are arranged.

Drive shaft ( 4 ) according to claim 1, wherein the sensor ( 1 - 3 . 6 . 8th ) as a magnetoelastic sensor ( 6 . 8th ) is configured.

Drive shaft ( 4 ) according to claim 5, wherein a magnetoelastic sensor ( 6 ) for a measurement of the torsion and another magnetoelastic sensor ( 8th ) are provided for a measurement of tension / compression stresses.

Drive shaft ( 4 ) according to one of the preceding claims, in which a sensor ( 2 ) for determining the temperature of the drive shaft ( 4 ) is provided.

Drive shaft ( 4 ) according to claim 7 and claim 2, wherein the sensor ( 2 ) is designed to determine the temperature as a Bragg grating in the optical waveguide and perpendicular to the axis of the drive shaft ( 4 ) is arranged.

Drive shaft ( 4 ) according to one of the preceding claims, in which the sensor ( 1 - 3 . 6 . 8th ) on and / or in the drive shaft ( 4 ) is attached.

Drive shaft ( 4 ) according to one of claims 5 to 8, in which the sensor ( 1 - 3 . 6 . 8th ) as a magnetoelastic sensor ( 6 . 8th ) and non-contact in the region of the drive shaft ( 4 ) is arranged.

Drive shaft ( 4 ) according to one of the preceding claims, in which both an optical waveguide and a magnetoelastic sensor ( 1 - 3 . 6 . 8th ) is provided.

Propeller nacelle, designed as a ship drive or underwater pump, with one or two or more propellers and with a drive shaft ( 4 ) according to one of the preceding claims.

Method for operating a propeller nacelle according to claim 12, in which the sensor ( 1 - 3 . 6 . 8th ) for the determination of tensile / compressive stresses and torsion of the drive shaft ( 4 ) is used.

Method according to Claim 13, in which the sensor ( 1 - 3 . 6 . 8th ) continue to determine Oscillations of the drive shaft ( 4 ) is used.

Method according to Claim 13 or 14, in which measured values of the sensor ( 1 - 3 . 6 . 8th ) are used in one or more of the following ways: - to determine the respective proportion of the power of one of several with the drive shaft ( 4 ) connected drive propellers of the propeller pod; - Determination of age or remaining life of the drive shaft ( 4 ); - detection of damage; - Regulation of the propeller pod.