DE102009016105A1

DE102009016105A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Beanspruchung rotierender Wellen

Info

Publication number: DE102009016105A1
Application number: DE102009016105A
Authority: DE
Inventors: Miklos Dr. Gäbler; Gideon Venter
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-04-04
Also published as: DE102009016105B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Beanspruchung rotierender Wellen von Turbomaschinen und Flugtriebwerken, insbesondere von Niederdruck-, Hochdruck- und Getriebewellen. Um die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen dieser Art zu vermeiden, die eine Mehrzahl von Bauteilen an der rotierenden Welle benötigen, sieht die Erfindung vor, dass mittels einer magnetischen Kodierung der Welle als Signalgeber ein Signal für die auf die Welle einwirkende Beanspruchung erzeugt wird und dass das Signal für die Größe der Belastung von gehäusefesten Signalsensoren erkannt und ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Beanspruchung rotierender Wellen, insbesondere der Niederdruck-, Hochdruck- und Getriebewellen von Turbomaschinen und Flugtriebwerken, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Herkömmlichen Verfahren zur Messung der Beanspruchung rotierender Wellen, insbesondere des Drehmomentes bei Gasturbinen, bei Zwei- oder Drei-Wellen-Turbinen und Dampfturbinen basieren auf induktiven phasenverschiebenden Messeinrichtungen und Referenzmessungen. Diese Messverfahren benötigen ein Signal-Trigger-Rad auf der vom Drehmoment belasteten rotierenden Welle und ein Referenzrohr mit einer bestimmten Länge. Das bekannte Verfahren hat Nachteile hinsichtlich des Bauraumes und des Gewichts und in der Begrenzung in der Signalqualität und der Redundanz, d. h. der mehrfachen Messungen.
Abgesehen von besonderen Entwicklungszwecken und speziellen Anwendungen bei herkömmlichen Zwei- oder Drei-Wellen-Flugtriebwerken für zivile oder militärische Zwecke, ist die Messung mechanischer Beanspruchungen für eine eingeschränkte Lebensdauer und/oder Teile mit eingeschränkter Formgebung nicht die Norm. Dies ist darauf zurückzuführen, dass den herkömmlich verfügbaren Messsystemen die erforderliche Betriebssicherheit, die Zuverlässigkeit, die Komplexität und die Wartungseigenschaften bei relativ hohen Kosten fehlen.
Die auftretenden Belastungen und der Einfluss auf die Ermüdung und die Lebensdauer, die aus im Flugbetrieb auftretenden Geschehnissen, wie Vogelschlag, harten Landungen u. dgl. sowie aus speziellen Erfordernissen der Bedienungsperson resultieren, können nur geschätzt werden. Es ist also sehr schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, Missbräuche der Bedienungsperson zu erkennen oder nachzuweisen.
Um die Unsicherheiten in der Schätzung von auftretenden Belastungen und die Auswirkungen auf wesentliche Triebwerksteile zu kompensieren, werden die Formgebungsgrenzen erhöht. Dies resultiert in erhöhtem Gewicht und erhöhtem Kraftstoffverbrauch. Sehr teure Bauteile, die immer noch verwendbar wären, werden ausgetauscht, da die Entscheidungen, welche die Verwendbarkeit bestimmen, auf Annahmen des ungünstigsten Falles basieren und nicht auf aktuellen Informationen („Lieber sicher”- als „Es tut mir Leid”-Annäherung). Fehler, die aus besonderen Auftrags-Erfordernissen der Bedienungsperson resultieren, oder Missbrauch treten auf und können nicht erklärt werden, was auf Mangel an Detailinformationen zurückzuführen ist. Dies verkompliziert die Ursachenanalyse und kann in einer Verlängerung der Formgebungs-Verbesserungs-Periode resultieren, da mehr Formgebungs-Wiederholungen erforderlich werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Messen der Beanspruchung von rotierenden Wellen so auszubilden, dass diese Nachteile behoben sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass mittels einer magnetischen Kodierung der Welle als Signalgeber ein Signal für die auf die Welle einwirkende Beanspruchung erzeugt wird und dass das Signal für die Größe der Beanspruchung von gehäusefesten Signalsensoren er kannt und anschließend ausgewertet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt kein Referenzrohr für Referenzmessungen, sondern kommt mit magnetisch kodierten Bereichen der Welle als Signalgeber aus. Durch eine Überwachung der Beanspruchung der rotierenden Wellen von Flugtriebwerken kann bei gefährlichen Überdrehzahlen die Treibstoffzufuhr zum Flugtriebwerk abgeschaltet werden. Dies gilt auch für Flugtriebwerke mit Propellerantrieben und Gasturbinen zum Antrieb von Generatoren zur Stromerzeugung. Ferner kann eine Früherkennung eines Wellenversagens durch akkumulierte Schäden erreicht und damit die Lebensdauer der Welle erhöht werden.
Die Erfindung behandelt eine verbesserte Ausbildung eines Systems zur Messung der Beanspruchung, insbesondere des Drehmomentes, der Welle, allgemein für Turbomaschinen und Flugtriebwerke, insbesondere für Flugtriebwerke mit Propellerantrieben, sowie für Gasturbinen zum Antrieb von Generatoren zur Stromerzeugung, wobei hohe MTBF-Werte, d. h. mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen, gefordert werden.
Die Erfindung basiert auf der Nutzung der physikalischen Eigenschaften von ferromagnetischen Materialien im Zusammenhang mit Magnetfeldern und der Messung der magnetischen Feldänderung an magnetisierten, rotierenden Wellen aus magnetisierbaren Materialien, insbesondere auf der Magnetostriktion, d. h. der Deformation ferromagnetischer Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes.
Erfindungsgemäß erhält eine magnetisierbare Welle, z. B. eine Niederdruck-, Hochdruck- oder Getriebewelle oder ein Wellenbefestigungsring, eine permanente, einmalig bei der Herstellung aufgebrachte magnetische Kodierung, die als Signal für die Messung des Drehmomentes herangezogen wird. Die Eigenschaften der magnetischen Kodierung sind derart, dass bevorzugt zwei verschiedene Signaltypen in die Welle eingebracht werden. Diese sind eine kontinuierlich um den Wellenumfang gleichmäßig verteilte Struktur in Form axialer magnetisierter Streifen oder punktförmig axial oder anderweitig axial orientierter magnetischer Streifenmuster, um eine hoch aufgelöste Drehmomentmessung zu gewährleisten, und eine einzelne, punktförmige Signatur am Umfang für ein einzelnes Trigger-Signal je Umdrehung der Welle (1/rev), um die Anzahl der Umdrehungen bzw. die ganzzahligen Umdrehungen der Welle zu erfassen. Das einmalige Trigger- bzw. Umdrehungs-Signal auf dem Wellenumfang ermöglicht eine Korrelation zwischen dem Drehmomentwert und der Referenz-Wellenposition, z. B. 0°, bei hohen transienten Drehmomentwerten oder Torsionsschwingungen. Diese einzelne Signatur wird zur Systemoptimierung und zur Regelung benötigt.
Gemäß der Erfindung werden an vorzugsweise zwei oder mindestens zwei verschiedenen Positionen der Welle, insbesondere der Niederdruckwelle aber auch der Hochdruckwelle eines Flugtriebwerkes Magnetostriktions-Messeinrichtungen angeordnet, um über die Messung der Belastung der Welle, insbesondere des Drehmomentes, auf den Zustand des Flugtriebwerkes schließen und das Flugtriebwerk aufgrund der Messergebnisse regeln zu können. In einer bevorzugten Ausführungsform sind bevorzugt drei Magnetostriktions-Messeinrichtungen vorhanden, um eine Überwachung der Lebensdauer einzelner, kritischer Komponenten des Flugtriebwerkes durchführen zu können.
Die Verwendung der Magnetostriktion bei Zwei- oder Drei-Wellen-Flugtriebwerken an einer Position oder an mehreren Positionen an der Triebwerkswelle ist bestens geeignet, um die Auswirkungen und Effekte der Beanspruchungen im Betriebszustand auf die Lebensdauer zu erkennen. Der besondere Vorteil der Verwendung der Messung der Beanspru chung mittels der Magnetostriktion liegt in dem kontaktfreien bzw. berührungslosen Messverfahren, das die simultane Messung mechanischer Kräfte, wie Drehmoment, Biegung, Axial- und Scherkräfte, als auch die Messung der absoluten rotativen und linearen Position unter extremen Umgebungsbedingungen in einer einzigen Position ermöglicht.
Das Verfahren zur Messung der Beanspruchung der Welle, insbesondere der Drehmomentmessung, basiert auf einer dauerhaften Kodierung durch ein Magnetmuster auf einem Flächenbereich an der Abtastposition der Welle, ohne dass irgendwelche dimensionsmäßigen oder mechanischen Änderungen an der Welle ausgeführt werden müssen. Die mechanisch beanspruchte Komponente selbst ist der Hauptteil des Sensors. Da keine Bauteile zum Messobjekt hinzugefügt werden müssen, kann die Welle frei drehen und sich bewegen und kann sehr harten Arbeitsbedingungen ohne Verlust ihrer Erkennungseigenschaften ausgesetzt werden.
Das Verfahren in Form der Kodierung der Welle durch ein Magnetmuster wird in der Turbomaschine bzw. dem Flugtriebwerk in einer Position ausgeführt, die eine optimale Systemfunktion und Messintensivität, annehmbare Umgebungs- und Betätigungsbedingungen und freien Zugang zur Wartung sicherstellt.
Das Ausgangssignal des Systems kann in den elektronischen Triebwerks-Steuerungs-Computer integriert bzw. eingeführt werden. Die vorher definierten Parameter werden zusammen mit den anderen existierenden Triebwerks-Parametern im DFDR-Aufzeichnungsgerät aufgezeichnet. Physische Grenzen der Beanspruchung können in dem Triebwerks-Steuerungs-Computer gespeichert werden. Eine Überschreitung dieser Grenzen kann in dem Onboard-Computer signalisiert werden, um standardisierte Wartungs- oder Inspektions-Aktivitäten einzuleiten.
Die Informationen über die Überschreitung und Dauer der Beanspruchungen kann zum Triebwerks-Lieferanten für Analysezwecke weitergeleitet werden, um weitere Wartungsarbeiten oder die Notwendigkeit des Auswechselns von Komponenten zu bestimmen. Diese Beanspruchungen können angesammelt und aufaddiert werden, um die Vorhersagen über die Lebensdauer der Komponenten und die Notwendigkeit von Wartungsarbeiten oder eines Auswechselns der Komponenten zu unterstützen. Die Geschehnisse der Überschreitung der Belastungsgrenzwerte können auf entsprechende Betätigungsphasen relativiert werden. Dies kann verwendet werden, um das Bedienungsverhalten der Piloten zu identifizieren oder zu korrigieren und um die Flug- und Bedienungsprofile im Hinblick auf eine Verminderung der Ermüdung bzw. Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten zu erreichen.
Das System ist mit folgenden Vorteilen einsetzbar: Erfassung der Messdaten zum Erkennen vorhandener Fehler; Reduzierte Wartungskosten, insbesondere für Flugtriebwerke mit Wartungsplan; Unterstützung der Beweisführung zur Abwehr von unberechtigten Ansprüchen aus Garantieverpflichtungen; Vermeidung der Haftung für Reparaturkosten im Falle eines Missbrauches des Triebwerkes durch den Betreiber; Kontrolle des Flugverhaltens des Piloten durch den Betreiber; Förderung des Verständnisses für die Ursache eines Versagens; Schnellere und bessere Konstruktionsentwürfe; Optimierte Entwürfe zur Einsparung von Kosten und Gewicht; Unterstützung der Definition von festigkeitsbasierten Akzeptanz- und Grenzkriterien für den Betrieb; Verlängerung der Wartungsintervalle bestimmter Komponenten mit begrenzter Lebensdauer; Besonders geeignet für militärische Verwendungen, bei denen das Be triebsprofil stark von der Triebwerksauslegung abweichen kann. Das System erlaubt eine einsatzspezifische Berechnung der Lebensdauer von kritischen Bauteilen der Flugtriebwerke.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So umfasst die magnetische Kodierung mindestens zwei verschiedene Signaltypen, von denen ein Signaltyp eine kontinuierlich um den Wellenumfang gleichmäßig verteilte Struktur, z. B. ein Streifenmuster aus axialen magnetisierten Streifen, für die hoch aufgelöste Drehmomentmessung, und der andere Signaltyp eine einzelne Signatur am Wellenumfang umfasst, um bei jeder vollen Umdrehung ein Trigger- bzw. Umdrehungs-Signal zu erzeugen und damit die vollen bzw. ganzzahligen Umdrehungen (1/rev) zu erfassen. Dabei werden die Signale der Signalgeber, magnetische Struktur und magnetische Signatur, von mehreren Paaren von um den Umfang der Welle symmetrisch verteilten Signalsensoren erfasst.
Die luftfahrtrechtlichen und von der Triebwerksregelung gestellten Anforderungen an das Drehmomentmesssystem sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfüllt. Dies sind eine redundante, d. h. mehrfache Sensorauslegung in Form mehrerer Sensoren, um den möglichen Ausfall von Einheiten zu kompensieren, die Signalgenauigkeit und die hohe Auflösung für die weitere Signalverarbeitung im FADEC/EEC (Full Authority Digital Engine Control/Electronic Engine Control) und die robuste Sensorausbildung, deren einfache Bauweise, leichte Zugänglichkeit und leichte Austauschbarkeit sowie hohe Verschleißfestigkeit eine hohe bzw. lange Lebensdauer garantieren. Es besteht eine stabile Drehmomentsignalqualität auch bei höheren Systemfrequenzen bis zu 20 kHz und lokalen Vibrationen bis zu 95 g.
Erfindungsgemäß werden die von den Signalsensoren erfassten Drehmomentsignale zwei Kanälen einer Signalverarbeitungsschaltung zugeführt, wobei eines der Sensorsignale zum Zwischenabgleich zu beiden Kanälen geleitet und das ermittelte Wellendrehmoment als Hauptregelgrösse bei der Triebwerksregelung verwendet werden.
In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung werden zwei Drehmoment-Sensoreinheiten an zwei im Abstand voneinander befindlichen, entfernten Positionen auf derselben rotierenden Welle verwendet, um die Differenz der Drehmomente an den entfernten Positionen zu messen und um so das Auftreten von Torsionsschwingungen der rotierenden Welle zu ermitteln.
Schließlich werden erfindungsgemäß sowohl die von den Signalsensoren einer Drehmomenteinheit erfassten Drehmomentsignale als auch die von zwei Drehmoment-Sensoreinheiten zur Ermittlung von Torsionsschwingungen der Welle erfassten Drehmomentsignale als Regelgrößen bei der Triebwerksregelung verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen des Drehmomentes bei Flugzeugtriebwerken basiert auf hochauflösenden Sensoren und auf der physikalischen Grundlage der Magnetostriktion. Die redundant ausgelegten Drehmomentsensoren beliefern die beiden Kanäle des FADEC/EEC mit dem Drehmoment als Hauptregelgröße für die Triebwerkssteuerung. Weiterhin wird das Signal auch im Flugzeugcockpit bereitgestellt bzw. angezeigt.
Bei einer doppelten Bestückung einer Welle mit zwei Drehmomentmesssystemen in einem gewissen Abstand kann durch die Echtzeit-Differenzmessung und die Frequenzanalyse des Signals eine Torsionsschwingung der Welle im laufenden Betrieb des Triebwerkes ermittelt werden. Dadurch können Regulierungsparameter des Triebwerkes so gestaltet werden, dass die Torsionsschwingungen vermieden werden. Daraus resultieren eine verminderte Geräuschentwicklung, weniger Fluglärm, eine geringere Strukturbelastung, eine optimierte Wellenauslegung und ein geringeres Gewicht.
In einer besonderen Ausführungsform ist eine dritte Drehmoment-Sensoreinheit unmittelbar hinter dem Ventilator/Fan oder Propeller des Flugtriebwerkes auf der Welle angeordnet, um ein dreifach redundantes Drehmomentsignal zur Überwachung und Regelung des Flugtriebwerkes zu erzeugen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen der Beanspruchung rotierender Wellen von Turbomaschinen und Flugtriebwerken, näher erläutert. Es zeigt:
1 eine prinzipielle Darstellung einer drehbar gelagerten Welle eines Flugtriebwerkes,
2 eine Ansicht der Welle mit aufgebrachten Kodierungen und diesen zugeordneten Signalsensoren,
3 einen prinzipiellen Querschnitt gemäß der Linie III-III in 1 durch einen statischen Sensorblock,
4 eine prinzipielle Schaltungsanordnung für die Messung des Drehmomentes einer Welle,
5 eine prinzipielle Schaltungsanordnung für die Messung von Torsionsschwingungen einer Welle,
6 eine Ansicht der Welle mit zwei im Abstand aufgebrachten Streifenkodierungen und zugeordneten Signalsensoren zur Messung von Torsionsschwingungen der Welle,
7 eine Prinzipielle Schaltungsanordnung zur Messung der Torsionsschwingungen und
8 eine Ausführungsform des Flugtriebwerkes mit drei über die gesamte Länge des Flugtriebwerkes und auf dessen Wellen verteilt angeordneten Messeinrichtungen.
Die 1 zeigt eine in einem Kugellager 1 und einem Rollenlager 2 gelagerte magnetisierbare, metallische Welle 3, auf welche eine Messeinrichtung 4 als eine permanente, magnetische Kodierung 5 aufgebracht ist. Diese besteht gemäß 2 aus einer um den Umfang der Welle 3 gleichmäßig verteilt aufgebrachten magnetischen Struktur 6, z. B. ein Streifenmuster mit axialen, magnetisierten Streifen, zwischen denen unmagnetisierte Streifen befindlich sind, um das Drehmoment mittels hoch aufgelöster Magnetfelder der Welle 3 als Drehmoment-Signal 8 bis 10 zu erfassen, und aus einer einzelnen magnetischen Signatur 7 am Umfang der Welle 3, um mit dieser bei einer Umdrehung (1/rev) ein Trigger- bzw. Umdrehungs-Signal 11 zu erzeugen und somit die vollen, ganzzahligen Umdrehungen der Welle 3 zu erfassen. Das Aufbringen der magnetisierten Kodierung 5 auf ferromagnetische Stoffe ist allgemein bekannt. Hingewiesen wird z. B auf DE 603 07 523 T2 , welche ein Verfahren zum Messen der Magnetostriktion in Magnete-Widerstands-elementen betrifft.
Mittels der magnetischen Kodierungen 5 der Welle 3 als Signalgeber wird ein Drehmoment-Signal 8 bis 10 für die Messung des Drehmomentes der Welle 3 erzeugt, das von drei Paaren von Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b und 10a, 10b erkannt und in einer Signalverarbeitungsschaltung 13 ausgewertet wird. Die Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b sind jeweils radial zur Welle 3 und unter jeweils 180° verteilt mit geringem Abstand zum Umfang der Welle 3 am Gehäuse 17 angeordnet, wobei der radiale Abstand der einzelnen Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b und 10a, 10b voneinander 60° beträgt. Die Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b und 10a, 10b bestehen zur Aufnahme der Signale aus den magnetischen Kodierungen 5 der magnetischen Struktur 6 aus kleinen Spulen 12, die einzeln geschaltet oder gemäß 4 paarweise in der Signalverarbeitungsschaltung 13 zusammengeschaltet sind. Die Verteilung der Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b und 10a, 10b ist derart, dass eine optimale redundante, d. h. mehrfache, Anordnung gegeben ist. Gleichzeitig hat die Position der Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b und 10a, 10b einen Einfluss auf die Signalauswertung, wodurch äußere Störfelder, wie das Erdmagnetfeld, externe Magnetfelder und andere möglich wiederkehrende Störungen kompensiert werden.
Die Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b und 10a, 10b nehmen jeweils das Signal der magnetischen Streifenstruktur 6 und damit das Drehmoment-Signal 8 bis 10 für die Drehmomentbeanspruchung der Welle 3 auf.
Zur Aufnahme des Trigger- bzw. Umdrehungs-Signals 11 der einzelnen magnetischen Signatur 7, d. h. des Trigger- bzw. Umdrehungs-Signals 11 für jede einzelne Umdrehung (1/rev) der Welle 3 sind besondere Signalsensoren 11a, 11b vorgesehen und der magnetischen Signatur 7 zugeordnet.
Die Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b und 10a, 10b erfassen mittels der zugeordneten Spulen 12 jeweils die Änderung der magnetischen Feldstärke der magnetischen Streifen- Strukturen 6. Das Magnetfeld ändert sich durch die abwechselnd als magnetischer axialer Streifen und als unmagnetisierter axialer Streifen ausgebildete magnetische Struktur 6 für die Ermittlung des Drehmomentes.
Entsprechendes gilt für die Signalsensoren 11a, 11b für das Trigger- bzw. Umdrehungs-Signal 11 der einzelnen Signatur 7, die mittels der zugeordneten Spulen 12 die sich einmal pro Umdrehung der Welle 3 durch das Trigger- bzw. Umdrehungs-Signal 11 sich ändernde magnetische Feldstärke ermitteln.
In der Signalverarbeitungsschaltung 13 werden mindestens drei Drehmoment-Signale 8 bis 10 unter Zuhilfenahme des Trigger- bzw. Umdrehungs-Signals 11 (1/rev) ermittelt. Gleichzeitig findet in der Signalverarbeitungsschaltung 13 eine Signalkonditionierung statt, die dafür sorgt, dass die von den Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b einkommenden Signale fehlerkorrigiert und filtriert und die ausgehenden Drehmoment-Signale 8 bis 10 verstärkt werden.
Die drei Drehmoment-Signale 8, 9, 10 der drei Paare von Signalsensoren 8a, 8b, 9a, 9b und 10a, 10b versorgen entsprechend den Signalanforderungen zwei Kanäle A, B einer Steuereinheit 14 (FADEC/EEC = Full Authority Digital Engine Control/Electronic Engine Control) mit dem Drehmomentwert, wobei eines der Sensorsignale 9 für einen Zwischenkanalabgleich zu beiden Kanälen A, B geleitet wird. Die in der Steuereinheit 14 ermittelten Drehmomentwerte werden zur Regelung des Flugtriebwerkes 15 verwendet. Außerdem werden einzelne Signale, hier das dritte und n-te Signal 10, n unmittelbar vor der Steuereinheit 14 entnommen, dem Flugzeugcockpit 16 zugeleitet und dort angezeigt.
Die Signalsensoren 11a, 11b für das Trigger- bzw. Umdrehungs-Signal 11 (1/rev) speisen die ermittelten Umdrehungswerte der Welle 3 ebenfalls in die Signalverarbeitungsschaltung 13 ein und geben ein Trigger- bzw. Umdrehungs-Signal 11 ab, das zusammen mit den Drehmoment-Signalen 8 bis 10 der Steuereinheit 14 zugeführt wird.
Weitere Systemoptionen sind die gleichzeitige Drehmomentmessung der Welle in der Lagerkammer mit einem kombinierten, statischen Sensor-Ring und der Anbau der Drehmomentmessgeber außerhalb der Lagerkammer und des Getriebes am Ende der Niederdruck- oder Hochdruckwelle (RDS = Radial Drive Shaft).
Die 5 zeigt bei einer Turbomaschine oder Gasturbine intern den Anbau von zwei Drehmoment-Sensoreinheiten 20, 21 an zwei entfernten Positionen auf der Welle 3, um die Drehmoment-Differenz zwischen den beiden ersten und zweiten Drehmoment-Sensoreinheiten 20, 21 zu messen. Eine solche Drehmoment-Differenz erfährt die Welle 3, wenn Torsionsschwingungen auftreten, wie z. B. zwischen Kompressor und Turbine oder durch aeromechanische Anregung an Propellerblättern oder Fanschaufeln.
Die 6 zeigt die beiden im Abstand voneinander an der Welle 3 am Gehäuse 17 gelagerten ersten und zweiten Drehmoment-Sensoreinheiten 20, 21 mit magnetischen Kodierungen 5 bzw. magnetischen Strukturen 6 in axialer Ausrichtung und in verschiedenen Tiefen der Welle 3.
Die Anordnung nach 5 der in Kugel- und Rollenlagern 1, 2 gelagerten, durch eine Drehmomentbelastung 19 beanspruchten Welle 3, die mit den beiden im Abstand voneinander befindlichen ersten und zweiten Drehmoment-Sensoreinheiten 20, 21 versehen ist, entspricht der in 1 gezeigten Anordnung.
Die gemäß der Drehmoment-Sensoreinrichtung nach 1 bis 3 ausgebildeten ersten und zweiten Drehmoment-Sensoreinheiten 20, 21 ermöglichen eine Signalkonditionerung und sind gemäß 7 auf eine gemeinsame Signalverarbeitungsschaltung 13 geschaltet, in der eine Differenzmessung der aus den beiden Drehmoment-Sensoreinheiten 20, 21 erhaltenen Drehmomentwerten durchgeführt wird. Damit wird das Laufverhalten der Welle 3 intern geregelt. Die Signalverarbeitungsschaltung 13 ist über eine Steuereinheit 14 mit dem Triebwerk 15 und dem Flugzeugcockpit 16 verbunden.
Die 5 zeigt eine weitere außerhalb des zentralen Teiles des Triebwerkes 15 auf der Welle 3 gebildetet, dritte Drehmoment-Sensoreinheit 22, die zwischen Flugtriebwerk 15 und der von diesem angetriebenen Antriebseinheit 18 aus Propeller, Getriebe und Generator angeordnet ist. Die dritte Drehmoment-Sensoreinheit 22 ist über eine eigene Signalverarbeitungsschaltung 13 ebenfalls mit der Steuereinheit 14 und dem Flugzeugcockpit 16 verbunden. Die Verbindungsleitungen 24 zwischen der Steuereinheit 14 und dem Flugtriebwerk 15 zeigen die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Bauteilen auf. Damit kann ein dreifach redundantes Drehmomentsignal an der Steuereinheit 14 ermittelt werden. Es ist eine Nachregelung der Drehzahl der Welle 3 möglich.
Mittels der beiden ersten, auf der Welle 3 im Abstand voneinander intern im Flugtriebwerk 15 angeordneten Drehmoment-Sensoreinheiten 20, 21 kann die Differenz der Drehmomente an den entfernten Positionen gemessen werden, um so das Auftreten von Torsionsschwingungen der rotierenden Welle 3 zu ermitteln.
Durch die Messung der Drehmoment-Differenz auf Wellen können Torsionsschwingungen mit einer aktiven FADEC-Regelung vermieden werden. Dies erhöht die Lebensdauer der Wellen, mindert die Geräuschemission des Triebwerkes und trägt durch Verminderung der Störgeräusche in der Kabine zur Kundenzufriedenheit bei.
Die 8 zeigt eine Ausführungsform des bereits in 5 als Prinzipschaltung gezeigten Flugtriebwerkes 15 mit drei nach dem Magnetostriktions-Verfahren arbeitenden Messeinrichtungen in Form der Sensoreinheiten 20, 21 und 2. Das Flugtriebwerk 15 umfasst einen Ventilator oder Fan 25 am vorderen Ende, eine als Niederdruckwelle 26 ausgebildete Welle 3, einen Hochdruckverdichter 27 und eine Hochdruckturbine 28 auf der Hochdruckwelle 40 sowie eine Niederdruckturbine 29 am hinteren Ende der Niederdruckwelle 26. Die drei Sensoreinheiten 20, 21, 22 sind zwischen dem Ventilator 25 und dem Hochdruckverdichter 27 auf der Niederdruckwelle 26, unmittelbar hinter dem Hochdruckverdichter 27 auf der Hochdruckwelle 40 und zwischen der Hochdruckturbine 28 und der Niederdruckturbine 29 wiederum auf der Niederdruckwelle 26 angeordnet. Die drei Sensoreinheiten 20, 21,22 sind im wesentlichen wie die in 1 bis 3 gezeigten Sensoreinheiten ausgebildet, können aber auch ohne die magnetische Signatur 7 (2) ausgebildet sein.
Die drei Sensoreinheiten 20, 21, 22 sind mittels Verbindungsleitungen 30 mit der Signalverarbeitungsschaltung 13 verbunden, in welcher eine Signalbearbeitung und Differential-Messung der von den Signalsensoren 8a bis 10b ermittelten Signale erfolgt. Damit werden das aktuelle Drehmoment, die axialen und radialen Bewegungen und die Biegespannung der Wellen 26 und 40 errechnet. Die errechneten Werte werden über die Verbindungsleitung 31 der Steuereinheit 14 zugeführt, welche als FADEC ausgebildet ist und eine Anzeige von Grenzwertüberschreitungen der in der Signalverarbeitungsschaltung 13 ermittelten Werte veranlasst.
Über eine Verbindungsleitung 41 werden die Werte an das Flugzeugcockpit 16 weitergeleitet und dort angezeigt. Über eine weitere Leitung 33 werden die Werte einem Flugdatenaufnehmer 32 zugeführt und dort gespeichert. Über eine weitere Verbindungsleitung 34 werden die Werte auch einer Inspektionsschaltung 35 zugeführt, von welcher Inspektions- und Wartungsarbeiten veranlasst werden. Eine Bewertungsschaltung 37 ist über Verbindungsleitungen 36 und 42 sowohl mit dem Flugdatenaufnehmer 32 als auch mit der Inspektionsschaltung 35 verbunden. Schließlich kann die Bewertungsschaltung 37 noch über eine weitere Verbindungsleitung 38 mit einer Vorfallermittlungsschaltung 39 verbunden sein.

1: Kugellager
2: Rollenlager
3: Welle
4: Messeinrichtung
5: magnetische Kodierung
6: magnetische Struktur
7: magnetische Signatur
8–10: Drehmoment-Signal
8a, b: Signalsensor
9a, b: Signalsensor
10a, b: Signalsensor
11a, 11b: Signalsensor
11: Umdrehungs-Signal (1/rev)
12: Spule
13: Signalverarbeitungsschaltung
14: Steuereinheit
15: Flugtriebwerk
16: Flugzeugcockpit
17: Gehäuse
18: Antriebseinheit (Propeller, Getriebe, Generator)
19: Drehmomentbelastung
20: erste Drehmoment-Sensoreinheit
21: zweite Drehmoment-Sensoreinheit
22: dritte Drehmoment-Sensoreinheit
24: Verbindungsleitung
25: Ventilator/Fan
26: Niederdruckwelle
27: Hochdruckverdichter
28: Hochdruckturbine
29: Niederdruckturbine
30, 31: Verbindungsleitung
32: Flugdatenaufnehmer
33, 34: Verbindungsleitung
35: Inspektionsschaltung
36: Verbindungsleitung
37: Bewertungsschaltung
38: Verbindungsleitung
39: Vorfallermittlungsschaltung
40: Hochdruckwelle
41, 42: Verbindungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 60307523 T2 [0035]

Claims

Verfahren zum Messen der Beanspruchung rotierender Wellen von Turbomaschinen und Flugtriebwerken, insbesondere von Niederdruck-, Hochdruck- und Getriebewellen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer magnetischen Kodierung der Welle als Signalgeber ein Signal für die auf die Welle einwirkende Beanspruchung erzeugt wird und dass das Signal für die Größe der Belastung von Signalsensoren erkannt und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gehäusefeste Signalgeber vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kodierung mindestens zwei verschiedene Signaltypen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden verschiedenen Signaltypen eine kontinuierlich um den Wellenumfang gleichmäßig verteilte Struktur in Form eines axialen Streifenmusters für die hoch aufgelöste Messung der Beanspruchung der Welle und eine einzelne Signatur am Wellenumfang umfassen, um bei einer Umdrehung der Welle ein Trigger-Signal zum Erfassen der vollen, ganzzahligen Umdrehungen zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Signalgeber von mehreren Paaren von um den Umfang der Welle symmetrisch verteilten Signalsensoren erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Signalsensoren erfassten Signale der Beanspruchung der Welle zwei Kanälen einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt werden, wobei eines der Sensorsignale zum Zwischenkanalabgleich zu beiden Kanälen geleitet wird, und dass die ermittelte Beanspruchung der Welle als Hauptregelgröße bei der Triebwerksregelung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sensoreinheiten an zwei im Abstand voneinander befindlichen Positionen auf derselben rotierenden Welle verwendet werden, um die Differenz der Beanspruchungen an den entfernten Positionen zu messen und um so das Auftreten von Überbeanspruchungen der rotierenden Welle zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Signalsensoren einer Sensoreinheit erfassten Signale zur Ermittlung des Drehmomentes der Welle dienen und als Regelgrößen bei der Triebwerksregelung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von zwei Sensoreinheiten erfassten Drehmomentsignale zur Ermittlung von Torsionsschwingungen dienen und als Regelgrößen bei der Triebwerksregelung verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von mindestens zwei Signalsensoren einer Sensoreinheit erfassten Signale zur Ermittlung der Beanspruchung der Welle durch Drehmomente, Wellenbiegung, Axial- und Scherkräfte und zur Ermittlung der axialen und radialen Position und Versatz der Welle verwendet und als Regelgrößen bei der Triebwerksregelung verwendet werden.
Verwendung der Magnetostriktion zum Messen der Beanspruchung rotierender Wellen von Turbomaschinen und Flugtriebwerken.
Vorrichtung zum Messen der Beanspruchung rotierender Wellen von Turbomaschinen und Flugtriebwerken, insbesondere von Niederdruck-, Hochdruck- und Getriebewellen, mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (3) eine magnetische Kodierung (5) als Signalgeber für ein Signal für die auf die Welle (3) einwirkende Beanspruchung vorgesehen ist und dass zur Erkennung und Auswertung des Signals für die Größe der Beanspruchung gehäusefeste Signalsensoren (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur magnetischen Kodierung (5) mindestens zwei verschiedene Signaltypen und mindestens zwei gehäusefeste Signalsensoren (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden verschiedenen Signaltypen als eine kontinuierlich um den Wellenumfang gleichmäßig verteilte magnetische Struktur (6) in Form eines axialen Streifenmusters für die hoch aufgelöste Messung der Beanspruchung der Welle und als eine einzelne magnetische Signatur (7) am Wellenumfang ausgebildet sind, um bei einer Umdrehung der Welle (3) ein Trigger- bzw. Umdrehungs-Signal zum Erfassen der vollen, ganzzahligen Umdrehungen zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Signale der Signalgeber mehrere Paare von Signalsensoren (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) um den Umfang der Welle (3) symmetrisch verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Signalsensoren (8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) erfassten Signale zwei Kanälen (A, B) einer Signalverarbeitungsschaltung (13) zugeführt werden, wobei eines der Sensorsignale zum Zwischenkanalabgleich zu beiden Kanälen (A, B) geleitet wird, und dass das ermittelte Wellendrehmoment als Hauptregelgröße bei der Triebwerksregelung verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sensoreinheiten (20, 21) an zwei im Abstand voneinander befindlichen, entfernten Positionen auf derselben rotierenden Welle (3) im Innern des Flugtriebwerkes (15) angeordnet sind, um die Differenz der Drehmomente an den entfernten Positionen zu messen und um so das Auftreten von Torsionsschwingungen der rotierenden Welle (3) zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Signalsensoren einer Sensoreinheit erfassten Drehmomentsignale und die von zwei Drehmoment-Sensoreinheiten erfassten Drehmomentsignale zur Ermittlung von Torsionsschwingungen als Regelgrößen bei der Triebwerksregelung verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Drehmoment-Sensoreinheit (22) unmit telbar hinter dem Ventilator (25) oder dem Propeller des Flugtriebwerkes (15) auf der Welle (3) angeordnet ist, um ein dreifach redundantes Drehmomentsignal zur Regelung des Flugtriebwerkes (15) zu erzeugen.