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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoranordnung mit einem berührungslos arbeitenden Drehmomentsensor. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Welle mit einem Wellenabschnitt, der eine Drehmomentsensoranordnung aufweist.
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Die Permeabilität ferromagnetischer Materialien wird durch mechanische Spannungen beeinflusst. Dieser physikalische Effekt, der als magnetoelastischer Effekt bekannt ist, kann zum Messen von Drehmomenten in einem rotierenden Objekt herangezogen werden, da ein Drehmoment Spannungen in dem rotierenden Objekt erzeugt. Es sind eine Reihe verschiedener Sensoren bekannt, die den magnetoelastischen Effekt verwenden, um kontaktlos Drehmomente bspw. von Wellen zu erfassen. Die magnetoelastischen Sensoren zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus, wobei eine Nachkalibrierung ebenso wenig erforderlich ist, wie das Anfahren von Referenzmarken.
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Ein magnetoelastischer Drehmomentssensor, der zum Messen des Drehmoments von Antriebswellen zum Einsatz kommen, ist beispielsweise aus
DE 10 2009 008 074 A1 bekannt. In diesem Dokument ist eine Messanordnung zum Erfassen des Drehmoments einer Welle beschrieben, die einen mit einem vorbestimmten Spaltabstand von der Oberfläche der Welle positionierten Drehmomentsensor umfasst.
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Zur Messung von Drehmomenten an Kraft übertragenden Wellen von Maschinen wird in einem geringen Abstand von der Oberfläche der Welle kontaktlos eine elektromagnetische Spule angeordnet, die auf die Veränderung der Permeabilität in einer ferromagnetischen Schicht auf der Welle oder einer an sich ferromagnetischen Welle mit einer Signaländerung reagiert. Hierzu muss die Welle Torsionsspannungen ausgesetzt sein, d.h. der magnetoelastische Drehmomentsensor muss entlang der Welle zwischen einem antreibenden Drehmoment und dem ihm entgegengesetzt wirkenden Reaktionsdrehmoment angeordnet sein. Die aus dem ferromagnetischen Material gebildete Welle ist dadurch Teil der Messvorrichtung.
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Wenn Positionsveränderungen der Welle während der Messung erfolgen, wird das Messergebnis, das sehr empfindlich auf den Abstand zwischen dem Sensor und der Welle reagiert, von den Positionsänderungen beeinflusst. Bereits Bewegungen um wenige zehntel Millimeter senkrecht zur Drehachse der Welle verringern die Messgenauigkeit des Drehmomentsensors erheblich. Insbesondere bei technischen Anwendungen, in denen großdimensionierte Wellen zur Kraftübertragung zum Einsatz kommen, können solche Positionsveränderungen der Welle mit keinem wirtschaftlich vertretbaren technischem Aufwand beseitigt werden. In
DE 10 2009 008 074 A1 ist daher vorgeschlagen worden, den Drehmomentsensor mittels eines die Welle umgreifenden Ringes an dieser zu positionieren. Der Ring ist zudem mit einem Gehäuseabschnitt verbunden, um ihn gegen ein Mitdrehen mit der Welle zu sichern. Er ist dabei um eine Schwenkachse verschwenkbar und in Radialrichtung der Welle verschiebbar an dem Gehäuseabschnitt befestigt, so dass er Bewegungen der Welle mitmachen kann. Die Lagerung des Rings an der Welle erfolgt dabei durch eine Lagerbuchse, durch Gleitschalen oder durch Kugellager.
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Im Lichte des beschriebenen Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Drehmomentsensoranordnung mit einem berührungslosen Drehmomentsensor zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Welle zur Verfügung zu stellen.
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Die erste Aufgabe wird durch eine Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine Welle nach Anspruch 14. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung weist einen berührungslos arbeitenden Drehmomentsensor auf. Dieser ist auf einem elektrisch betriebenen Linearschlitten angeordnet.
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Die Anordnung des Drehmomentsensors auf einem elektrisch betriebenen Linearschlitten ermöglicht es, den Abstand des Drehmomentsensors von dem zu messenden Objekt, das insbesondere eine Welle sein kann, auch bei variierender Objektposition in einem für die Messung geeigneten Bereich zu halten. Dabei ist es nicht nötig, den Drehmomentsensor mittels eines die Welle umfassenden Ringes an dieser zu positionieren. Es ist daher auch nicht nötig ein zusätzliches Kugellager oder ähnliches auf der Welle vorzusehen, welches zu zusätzlichem Verschleiß führen würde.
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Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung zudem einen Abstandssensor, der zusammen mit dem Drehmomentssensor auf dem Linearschlitten derart angeordnet ist, dass er das Messen des Abstands zu dem Objekt, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, erlaubt. Auf diese Weise wird es möglich, den Abstand des Drehmomentsensors von dem Objekt genau einzustellen sowie etwaig auftretende Abstandsschwankungen zu erfassen und in der Auswertung des Messsignals zu berücksichtigen. Wenn zudem eine Steuereinheit vorhanden ist, die mit dem Abstandssensor und zur Ausgabe eines Steuersignals mit dem Linearschlitten verbunden ist, wird ein automatisches Anfahren des Objektes mit dem Drehmomentsensor ermöglicht. Die Steuereinheit ermittelt dabei das Steuersignal auf der Basis des vom Abstandssensor ausgegebenen Abstandsignals, wobei das Steuersignal eine Verschiebung des Drehmomentsensors mittels des elektrisch betriebenen Linearschlittens um einen Betrag repräsentiert, der den Drehmomentsensor auf einen vorgegebenen Abstand an das Objekt heranführt.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung kann der Abstand des Drehmomentsensors zum Objekt während der Messung konstant gehalten werden bzw. inner- halb eines vorgegebenen Abstandsintervalls gehalten werden. Dazu ermittelt die Steuereinheit das Steuersignal auf der Basis der Abweichung des mit Hilfe des Abstandssensors gemessenen Abstandes von einem vorgegebenen Sollabstand. Das Steuersignal repräsentiert dann diejenige Verschiebung des Drehmomentsensors mittels des elektrisch betriebenen Linearschlittens, die nötig ist, um den Drehmomentsensor auf Sollabstand zu halten bzw. im vorgegebenen Abstandsintervall zu halten. Wenn im Weiteren vom Sollabstand die Rede ist, soll dabei immer auch der Fall eines Abstandsintervalls, welches die zulässigen Abstände des Drehmomentsensors vom zu messenden Objekt angibt, umfasst sein.
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Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung kann außerdem einen berührungslosen Temperatursensor umfassen, der derart angeordnet ist, dass er das berührungslose Messen der Temperatur des Objekts, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, erlaubt. Das Messen der Temperatur ist vorteilhaft, weil die Temperatur des Objekts, dessen Drehmoment gemessen werden soll, einen Einfluss auf die Messung hat. Die vom Drehmomentsensor gemessenen Daten können daher anhand der Temperatur ggf. korrigiert werden. Als Temperatursensor eignet sich bspw. ein Infrarotsensor.
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Zum Schutz des Drehmomentsensors und des Objekts, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, kann der Drehmomentsensor ggf. zusammen mit dem Abstandssensor und/oder dem Temperatursensor auf einem weiteren Linearschlitten angeordnet sein, der auf dem elektrisch betriebenen Linearschlitten in dieselbe Richtung wie dieser verschiebbar angeordnet ist. Mittels einer Feder wird der weitere Linearschlitten in eine Anschlagsposition auf dem elektrisch betriebenen Linearschlitten gedrückt. Es kann gegen die Federkraft aus dieser Anschlagsposition weg verschoben werden. Sollte bspw. aufgrund einer plötzlichen Bewegung des Objekts, dessen Drehmoment gemessen werden soll, ein Kontakt zwischen dem Sensor und dem Objekt stattfinden, erlaubt dieser weitere Linearschlitten ein Ausweichen des Drehmomentsensors, wodurch insbesondere Beschädigungen des Objekts vermieden werden können. Um auch Beschädigungen des Drehmomentsensors sowie ggf. des Abstandssensors und/oder des Temperatursensors vermeiden zu können, kann dem Drehmomentsensor ggf. zusammen mit dem Abstandssensor und/oder ggf. zusammen mit dem Temperatursensor ein Abstandshalter zugeordnet sein, der in eine Richtung über den Drehmomentsensor und ggf. über den Abstandssensor und/oder den Temperatursensor vorsteht, in der das Objekt, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, in Bezug auf den Drehmomentsensor anzuordnen ist. Im Falle eines Kontakts mit dem Objekt erfolgt dieser nicht direkt mit dem Drehmomentsensor, sondern mit dem Abstandshalter, so dass der Drehmomentsensor und ggf. der Abstandssensor und/oder der Temperatursensor vor Beschädigungen geschützt sind. Der Abstandshalter kann etwa ein den Drehmomentsensor ggf. zusammen mit dem Abstandssensor und/ oder ggf. zusammen mit dem Temperatursensor umgebender Metallring sein, dessen Axialrichtung der Bewegungsrichtung des elektrisch betriebenen Linearschlittens entspricht.
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Um den Drehmomentsensor und ggf. den Abstandssensor und/oder den Temperatursensor vor Umgebungseinflüssen zu schützen, kann ein Gehäuse mit zumindest einer Öffnung für den Drehmomentsensor und ggf. einer Öffnung für den Abstandssensor und/oder ggf. einer Öffnung für den Temperatursensor vorhanden sein. Die Öffnungen für den Drehmomentsensor, den Abstandssensor und den Temperatursensor können dabei jeweils voneinander getrennte Öffnungen sein oder eine für alle Sensoren gemeinsame Öffnung. Der elektrisch beschriebene Linearschlitten weist eine Messposition auf, in welcher der Drehmomentsensor ggf. zusammen mit dem Abstandssensor und/oder dem Temperatursensor im Bereich der Öffnung angeordnet ist, so dass das Gehäuse die Messung nicht behindert. Insbesondere kann der Abstandshalter über das Gehäuse vorstehen, wenn sich der elektrisch betriebene Linearschlitten in der Messposition befindet.
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Mittels des weiteren Linearschlittens und des Abstandshalters kann ein passiver Schutz des Objekts, dessen Drehmoment ermittelt werden soll, bzw. des Sensors oder der Sensoren im Falle eines unbeabsichtigten Kontaktes erzielt werden. Es ist jedoch wünschenswert, einen Kontakt zwischen dem Objekt und der Drehmomentsensoranordnung möglichst zu vermeiden. Zu diesem Zweck kann eine aktive Schutzeinrichtung vorhanden sein, die mit dem Abstandssensor zum Empfang seines Abstandssignals verbunden ist. Die Schutzeinrichtung überwacht den Abstand zu dem Objekt, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, und bewegt den Linearschlitten von dem Objekt weg, wenn ein vorgegebener Mindestabstand unterschritten wird. Diese aktive Schutzeinrichtung kann als alleiniger Schutz von Objekt und Messanordnung vorhanden sein, sie kann jedoch auch zusätzlich zu dem weiteren Linearschlitten und/oder dem Abstandshalter vorhanden sein. Im letzteren Fall bieten der weitere Linearschlitten und/oder der Abstandshalter einen zusätzlichen passiven Schutz für den Fall, dass eine Bewegung der Welle erfolgt, die für ein Zurückfahren des elektrisch betriebenen Linearschlittens mittels der aktiven Schutzeinrichtung zu schnell ist.
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Die Drehmomentsensoranordnung kann mit einer Auswerteeinheit ausgestattet sein, die mit dem Drehmomentsensor und dem Abstandssensor zum Empfang der jeweiligen Signale verbunden ist und das Drehmoment des Objekts, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, unter Berücksichtigung des Abstands von dem Objekt ermittelt. Zusätzlich oder alternativ kann eine Auswerteeinheit vorhanden sein, die mit dem Drehmomentsensor und dem Temperatursensor zum Empfang der jeweiligen Signale verbunden ist und das Drehmoment des Objekts, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, unter Berücksichtigung der Temperatur des Objekts ermittelt. Falls sowohl ein Temperatursensor als auch ein Abstandssensor vorhanden sind, kann die Auswerteeinheit insbesondere sowohl mit dem Temperatursensor als auch mit dem Abstandssensor verbunden sein, um deren jeweiligen Messsignale zu empfangen und das Drehmoment unter Berücksichtigung sowohl des Abstands als auch der Temperatur des Objekts zu ermitteln.
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Als Drehmomentsensor der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung eignet sich insbesondere ein magnetoelastischer Drehmomentsensor, wenn das zu messende Objekt aus einem ferromagnetischen Material besteht oder eine ferromagnetische Oberflächenschicht aufweist.
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Erfindungsgemäß wird darüber hinaus eine Welle mit wenigstens einem Wellenabschnitt zur Verfügung gestellt, welcher wenigstens eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung aufweist. Insbesondere können in dem Wellenabschnitt wenigstens zwei erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnungen vorhanden sein. Aber auch mehr als zwei Drehmomentsensoranordnungen sind möglich. Falls wenigstens zwei Drehmomentsensoranordnungen vorhanden sind, können diese bspw. gleichmäßig über den Umfang des Objekts, dessen Drehmoment ermittelt werden soll, verteilt sein. Das Verteilen mehrerer Drehmomentsensoranordnungen erhöht die Redundanz und ermöglicht es, durch Vergleich der mittels der unterschiedlichen Drehmomentsensoranordnungen erfassten Drehmomente einen Fehler in der Drehmomentermittlung frühzeitig zu erkennen.
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Die erfindungsgemäße Welle eignet sich insbesondere zum Einsatz in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken, die mit sogenannten Einwellenlagern ausgestattet sind. In solchen Gas- und Dampfturbinenkraftwerken sind die Dampfturbine und die Gasturbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, welche das Drehmoment an den Generator überträgt. Zur Optimierung des Betriebs eines solchen Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes ist es sinnvoll, die individuellen Leistungen der Dampfturbine und der Gasturbine zu kennen. Bisher wird lediglich die Gesamtleistung aus der Generatorleistung ermittelt. Die individuellen Leistungen der Dampfturbine und der Gasturbine werden dann anhand eines Modells rechnerisch bestimmt. Die genauen Verhältnisse an den zur Dampfturbine gehörenden Wellenabschnitten und den zur Gasturbine gehörenden Wellenabschnitten werden bisher nicht direkt ermittelt.
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Mittels des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors ist das direkte Ermitteln der individuellen Leistungen der Dampfturbine und der Gasturbine möglich, wenn sowohl im Wellenabschnitt der Dampfturbine als auch im Wellenabschnitt der Gasturbine jeweils wenigstens eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung vorhanden sind.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung in Ruheposition.
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2 zeigt die Drehmomentsensoranordnung aus 1 in Messposition.
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3 zeigt schematisch die Drehmomentsensoranordnung aus 1 von demjenigen Objekt aus gesehen, dessen Drehmoment ermittelt werden soll.
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4 zeigt ein Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer Welle, die mehrere erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnungen umfasst.
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5 zeigt die Anordnung der Drehmomentsensoranordnungen in einem Querschnitt durch die Welle.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung wird nachfolgend mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben. Während 1 die Drehmomentsensoranordnung in der Ruheposition zeigt, zeigt 2 die Anordnung in der Messposition. 3 zeigt eine Ansicht der Sensoranordnung aus Richtung des Objektes, dessen Drehmoment ermittelt werden soll.
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Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung umfasst einen Drehmomentsensor 1, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein magnetelastischer Drehmomentsensor ist. Ein solcher beruht auf dem inversen magnetostriktiven Effekt, also dem Effekt, dass ferromagnetische Materialien eine Änderung in der magnetischen Suszeptibilität erfahren, wenn sie mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Da mechanische Spannungen außer durch Zugkräfte und Druckkräfte auch durch Torsion induziert werden, kann der inverse magnetostriktive Effekt zur Drehmomentmessung herangezogen werden, um Drehmomente rotierender Objekte, die zumindest eine ferromagnetische Oberflächenschicht besitzen, berührungslos zu messen.
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Der Drehmomentsensor 1 ist mit einer Auswerteeinheit 3 verbunden, welche die vom magnetoelastischen Drehmomentsensor 1 erfassten Signale empfängt und im Hinblick auf das Drehmoment des Objektes, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Welle 5, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem ferromagnetischen Material besteht, ermittelt. Da der inverse magnetostriktive Effekt auch vom Abstand des Sensors 1 von dem Objekt 5 sowie von dessen Temperatur abhängt, umfasst die Drehmomentsensoranordnung außerdem einen Abstandsensor 7 sowie einen Temperatursensor 9 (siehe 3), die eine berührungslose Abstandsmessung bzw. Temperaturmessung durchführen. Die berührungslose Abstandsmessung kann beispielsweise auf der Basis von Laufzeitmessungen oder Phasenlagenmessungen mittels elektromagnetischer Wellen wie etwa Funkwellen, Lichtwellen oder Infrarotwellen, oder mittels Ultraschallwellen erfolgen. Zur berührungslosen Temperaturmessung kann beispielsweise ein Pyrometer herangezogen werden. Die Auswerteeinheit 3 ist außer mit dem Drehmomentsensor 1 auch mit den Abstandssensor 7 und dem Temperatursensor 9 zum Empfang der entsprechenden Messsignale verbunden. Dadurch kann das Ermitteln des Drehmoments unter Berücksichtigung des aktuellen Abstands des Drehmomentsensors 1 von dem Objekt 5 bzw. der aktuellen Temperatur des Objektes ermittelt werden. Falls sichergestellt werden kann, dass eine Variation des Abstands nicht erfolgt oder nur in Grenzen erfolgt, die im Rahmen der Messgenauigkeit toleriert werden können, kann auf die Berücksichtigung des Abstandes in der Auswertung des Signals des Drehmomentsensors 1 verzichtet werden. Entsprechend kann auf das Messen der Temperatur verzichtet werden, wenn die Temperatur hinreichend konstant ist, um keine Verfälschung der Messung über die benötigte Genauigkeit hinaus herbeizuführen.
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Die jeweils vorhandenen Sensoren, also zumindest der Drehmomentsensor 1 und im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch der Abstandssensor 7 und der Temperatursensor 9, sind auf einem Halter 11 in einer festen räumlichen Beziehung zueinander angeordnet. Der Halter 11 mit den Sensoren 1, 7, 9 ist auf einem elektrisch betriebenen Linearschlitten 13 montiert. Dieser dient dazu, die Sensoren vor dem Objekt 5 mit Hilfe des Abstandssensors 7 und eines Regelkreises zu positionieren. Dazu umfasst der Regelkreis eine Regeleinheit 15 und einen Addierer 17, der mit dem Abstandssensor 7 zum Empfang des Abstandssignals verbunden ist. Der Addierer weist einen invertierenden Eingang auf, an den das Abstandssignal angelegt ist, und einen nicht invertierenden Eingang, an den ein den Sollabstand repräsentierendes Sollsignal angelegt ist. Die Differenz zwischen Sollsignal und Abstandssignal wird dann an die Regeleinheit 15 weitergegeben, welche auf der Basis dieser Differenz ein Steuersignal für den elektrisch betriebenen Linearschlitten 13 generiert, welches diejenige Verschiebung repräsentiert, die nötig ist, um den Drehmomentsensor 1 mit den Sensoren auf Sollabstand zu bringen bzw. auf diesem zu halten.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Regeleinheit 15 zudem eine aktive Schutzfunktion implementiert, sodass sie auch als aktive Schutzeinrichtung dient. Diese Schutzfunktion überwacht den aktuellen Abstand von dem Objekt 5 und zieht den elektrisch betriebenen Linearschlitten 13 rasch aus der in 2 dargestellten Arbeitsposition zurück, wenn ein minimaler Sicherheitsabstand erreicht oder unterschritten wird. Ein solches Erreichen oder Unterschreiten des minimalen Sicherheitsabstandes kann bei Bewegungen des Objektes 5 auftreten. Beispielsweise kann im Hochfahrbetrieb eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes die Welle durch den Öldruck aufschwimmen, was unter Umständen derartige Bewegungen auslösen kann.
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Der Halter 11 mit den Sensoren 1, 7 und 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht unmittelbar auf dem elektrisch betriebenen Linearschlitten 11 angeordnet, sondern auf einem gefederten Schlitten 19, der mittels einer Feder 21 in eine vordere Anschlagsposition des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 gedrückt wird, wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist. Er kann gegen die Federkraft der Feder 21 aus dieser vorderen Anschlagsposition gedrückt werden, wenn eine durch die Federkonstante der Feder 21 festgelegte Kraft F (vgl. Pfeil in 2) auf den Halter 11 mit den Sensoren 1, 7, 9 einwirkt. Dieser gefederte Schlitten 19 erfüllt somit eine passive Schutzfunktion, da er im Falle des Kontaktes eines Sensors mit dem Objekt 5 nachgibt um so größeren Schaden verhindert, falls die im vorherigen Absatz beschriebene aktive Schutzeinrichtung nicht in der Lage ist, schnell genug zu reagieren, was bspw. im Falle einer für den elektrisch betriebenen Linearschlitten 13 zu raschen Annäherung des Objektes 5 an den Drehmomentsensor 1 möglich ist.
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Als ein weiteres passives Schutzsystem umfasst die Sensoranordnung einen Schutzring, welcher den Drehmomentsensor 1 umgebend am Halter 11 angeordnet ist. Der Schutzring steht dabei über das vordere Ende des Drehmomentsensors 1 vor, sodass im Falle eines Kontaktes mit dem Objekt 5, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, der Drehmomentsensor 1 vor Beschädigungen geschützt ist. Insbesondere die Kombination aus allen drei Sicherheitsfunktionen stellt einen guten Schutz sowohl für das Objekt 5 als auch den Drehmomentsensor 1 im Falle eines unbeabsichtigten Kontaktes dar. Falls der Abstandssensor 7 oder der Temperatursensor 9 genauso weit über den Halter überstehen, wie der Drehmomentsensor 1, können diese Sensoren ebenfalls mit einem solchen Schutzring versehen werden. In der Regel ist es aber ausreichend, wenn derjenige Sensor mit einem Schutzring versehen ist, welcher dem Objekt 5 beim Betrieb der Drehmomentssensoranordnung am nächsten kommt. Dies ist üblicherweise der Drehmomentssensor 1.
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Der Halter 11 mit den Sensoren 1, 7, 9, der elektrisch betriebene Linearschlitten 13 sowie der gefederte Linearschlitten 19 sind in einem Gehäuse 25 angeordnet, welches diese Elemente vor Umgebungseinflüssen schützt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in diesem Gehäuse auch die Auswerteeinheit 3 sowie der Regelkreis angeordnet. Das Gehäuse 25 besitzt Öffnungen 43, 45, 47, die ein Hindurchtreten des jeweiligen Sensors oder eine direkte Sicht auf das Objekt 5 ermöglichen.
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Wenn im Betrieb der Drehmomentsensoranordnung eine Messung gestartet werden soll, werden die Sensoren 1, 7, 9 mit Hilfe des elektrisch betriebenen Linearschlittens und des Abstandssensors 7 sowie dem Regelkreis in einem Sollabstand vor dem Objekt 5 positioniert. Die Daten der Sensoren werden erfasst und über entsprechende Umrechungsalgorithmen in das gewünschte Dateiformat gebracht. Da die Messwerte des magnetoelastischen Drehmomentsensors 1 vor der Temperatur des Objektes 5 und dem Abstand des Drehmomentsensors 1 von dem Objekt 5 abhängen, werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Temperatur und der Abstand im Auswertealgorithmus der Auswerteeinheit 3 berücksichtigt. Zwar wird der Abstand mit Hilfe des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 eingestellt und konstant gehalten, jedoch wird er zusätzlich im Auswertealgorithmus berücksichtigt, was bspw. im Falle von innerhalb zulässiger Grenzen schwankenden Abständen, bei denen kein Nachpositionieren mit Hilfe des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 erfolgt, zu einer höheren Präzision der Drehmomentsmessung führt. Die Daten für die Korrektur der vom Drehmomentsensor 1 gelieferten Signale können aus einer einmaligen Kalibrierung nach der Installation der Sensoranordnung gewonnen werden. Wenn das Objekt 5 während der Drehmomentmessung die Position verändert, kann dies daher bei kleinen Bewegungen alleine durch den Algorithmus ausgeglichen werden. Bei größeren Bewegungen des Objektes 5 kann eine Nachregelung mit Hilfe des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 erfolgen.
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Die Auswerteeinheit 13 kann in Abweichung von dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel außerhalb des Gehäuses 25 angeordnet sein, beispielsweise in einem Industrierechner. In diesem Fall ist die Sensoranordnung mit einem Datenerfassungsmodul ausgestattet, welches analoge Sensorsignale digitalisiert und an ein entfernt angeordnetes Datenverarbeitungsmodul, beispielsweise ein in dem Industrierechner angeordnetes Datenverarbeitungsmodul, weitergibt. Das Datenverarbeitungsmodul kann dabei als Hard- oder Software realisiert sein. In dem Datenverarbeitungsmodul werden die Daten mit den entsprechenden Algorithmen ausgewertet und die Ergebnisse an den Leitstand gesendet. In das Datenverarbeitungsmodul kann zudem der Regelkreis zur Steuerung des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 und/oder die aktive Sicherheitsfunktion integriert sein. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn das Gehäuse 25 der Drehmomentsensoranordnung nur die notwendigsten Elemente enthalten soll oder wenn eine Zentralisierung der Auswertung und der Steuerung des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 erfolgen soll.
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Ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung ist in den 4 und 5 dargestellt. Diese Figuren zeigen ein kombiniertes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, welches nach dem Einwellenanlagen-Konzept aufgebaut ist. Dies bedeutet, dass sowohl die Gasturbine 27 als auch die Dampfturbine, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils eine Turbine für niedrigen Druck 29, eine Turbine für mittleren Druck 31 und eine Hochdruckturbine 33 umfasst, gemeinsam mit dem Generator 35 und dem Verdichter 37 für die Gasturbine 27 auf einer gemeinsamen Welle 5 angeordnet sind. Die Gasturbine 27 wird mittels der Verbrennungsgase eines in einer Brennkammer 39 verbrannten Luft-Brennstoffgemisches angetrieben, die Dampfturbine mittels Dampf, welcher in einem Dampferzeuger 41 unter Zuhilfenahme der Abwärme der Gasturbine 27 erzeugt wird. Bei derartigen Anlagen ist es zur Optimierung des Betriebes sinnvoll, jeweils die individuelle Leistung der Dampf- und Gasturbinen zu kennen. Bisher werden diese Leistungen aus der Generatorleistung und einem Modell ermittelt. Die genauen Verhältnisse an den einzelnen Wellenabschnitten sind bisher nicht bekannt.
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Im vorliegenden Anwendungsbeispiel werden mit Hilfe erfindungsgemäßer Drehmomentsensoranordnungen die jeweiligen Drehmomente einzelner Wellenabschnitte ermittelt. Hierzu sind Drehmomentsensoranordnungen (in den 4 und 5 lediglich mit ihrem Gehäuse 25 dargestellt), an unterschiedlichen Abschnitten der Welle 5 angeordnet, wie es in 4 gezeigt ist. Dabei stellen die in der Figur gezeigten Orte der Drehmomentsensoranordnungen lediglich Beispiele für mögliche Positionen dar. Insbesondere braucht nicht an jedem der gezeigten Orte eine Drehmomentsensoranordnung 25 vorhanden zu sein. An welchen Orten Drehmomentsensoranordnungen 25 vorhanden sind, hängt in der Regel davon ab, von welchen Wellenabschnitten Informationen über das Drehmoment erfasst werden sollen.
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Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn an einem Abschnitt der Welle 5 eine einzige Drehmomentsensoranordnung 25 vorhanden ist. Um eine erhöhte Redundanz zu erzielen, kann es jedoch vorteilhaft sein, wenigstens 2 Drehmomentsensoranordnungen 25 um den Umfang der Welle 5 herum anzuordnen, wie dies beispielhaft in 5 dargestellt ist. In 5 ist dabei eine Anordnung gewählt, die es zudem ermöglicht, über die Abstandssensoren 7 der Drehmomentanordnungen im Falle einer Schwingung der Welle 5 die Schwingungsrichtung zu ermitteln. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, dass die Drehmomentsensoranordnungen 25 nicht auf einer gemeinsamen Linie durch den Wellenmittelpunkt liegen. Zwar müssen sie auch nicht im Winkel von 90° zueinander angeordnet sein, jedoch ist dies eine vorteilhafte Anordnung, wenn zweidimensionale Schwingungsmuster ermittelt werden sollen. Weiterhin ist es möglich, statt der in 5 gezeigten zwei Drehmomentsensoranordnungen 25 drei oder mehr Drehmomentsensoranordnungen vorzusehen, die beispielsweise in regelmäßigen Abständen um den Umfang der Welle 5 herum verteilt sein können. Im Sinne einer Redundanz sind jedoch zwei Drehmomentsensoranordnungen bereits ausreichend.
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Die mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebene Drehmomentsensoranordnung sowie die mit Bezug auf die 4 und 5 beschriebene Welle stellen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar, die jedoch auch abgewandelt werden können. So weist das Gehäuse 25 im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei getrennte Öffnungen 43, 45, 47 für den Drehmomentsensor 1, den Abstandssensor 7 bzw. den Temperatursensor 9 auf. Im Falle des Abstandssensors 7 und des Temperatursensors 9 kann die jeweilige Öffnung auch mit einer für elektromagnetische Wellen in dem vom Sensor verwendeten Frequenzbereich durchlässigen Platte verschlossen sein. Grundsätzlich kann aber auch eine gemeinsame Öffnung für alle drei Sensoren vorhanden sein, wie sie in 3 gestrichelt dargestellt ist. Entsprechend kann sich auch der Schutzring um alle drei Sensoren herum erstrecken, insbesondere, wenn der Abstandssensor 7 und der Temperatursensor 9 genauso weit über den Halter 11 vorstehen, wie der Drehmomentsensor 1. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, statt eines Schutzringes 23 lediglich einen Abstandshalter beispielsweise in Form eines Stiftes, eines Teilringes oder einer sonstigen geeigneten geometrischen Form vorzusehen. Dabei ist lediglich sicherzustellen, dass der Abstandshalter im Falle einer zu großen Annäherung zwischen dem Objekt, dessen Drehmoment ermittelt werden soll, und der Drehmomentsensoranordnung als erstes mit dem Objekt in Berührung kommt. Zudem sollte die Stabilität und Form des Abstandshalters gewährleisten, dass dieser im Falle eines Kontaktes nicht abbricht und das Objekt möglichst nicht beschädigt.
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Auch von der in 4 und 5 dargestellten Welle kann abgewichen werden. So muss die Welle nicht unbedingt eine Welle eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes sein. Falls die Welle Teil eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes ist, kann die Zahl der Turbinen im Dampfbereich des Kraftwerkes anders sein, als dies in den 4 und 5 dargestellt ist. Ebenso ist es nicht nötig, dass die Welle vollständig aus ferromagnetischem Material besteht. Es ist ausreichend, wenn sie im Messbereich eine ferromagnetische Oberflächenschicht besitzt. Zudem besteht auch die Möglichkeit, alternativ oder zusätzlich zu den um den Umfang herum angeordneten Redundanten Drehmomentsensoranordnungen verschiedene Drehmomentsensoranordnungen in Axialrichtung der Welle 5 nebeneinander anzuordnen. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass die in 4 dargestellte Anordnung lediglich eine von mehreren möglichen Einwellenanlagen-Konzeptionen darstellt. In einer alternativen Konzeption kann der Generator zwischen der Gasturbine und den Dampfturbinen angeordnet sein, wobei dann zwischen dem Generator und den Dampfturbinen auch eine Kupplung vorhanden sein kann.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen einfachen Einbau und einen weitgehend störungsfreien Betrieb eines Drehmomentsensors beispielsweise zum Messen von Drehmomenten in Wellenabschnitten der Welle eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes mit Einwellenlagen-Konzeption. Dies wird durch die Anordnung der Sensoren auf einem elektrisch betriebenen Linearschlitten erreicht, mit dessen Hilfe die Sensoren an der Welle positioniert werden können und der die Sensoren bei Nichtgebrauch oder bei Störung zum Schutz in ein Gehäuse zurückzieht. Die Konstruktion enthält zudem eine gefederte Mechanik, die unerwartete Stöße von der Welle auf den Sensor auffängt. Falls dies passieren sollte, schützt zudem ein Metallring oder ein anderer geeigneter Abstandshalter zumindest den Drehmomentsensor vor Schäden, in dem er den Stoß abfängt. Zudem ist eine Regelung vorhanden, die den Sensor bei Unterschreiten eines Sicherheitsabstandes in das Gehäuse zurückzieht. Speziell im Hochfahrbetrieb von Gas- und Dampfturbinen mit Einwellenlagen-Konzeption bietet eine solche Konstruktion Vorteile, da die Welle beim Anfahren aufschwimmen kann und sich die Distanz zwischen Sensor und Welle dabei ändert. Der Aufbau der Drehmomentsensoranordnung und die Art und Weise der Messung sind so gestaltet, dass eine möglichst hohe Prozession der Messung der Torsionsmomente und Torsionsschwingungen der Welle möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009008074 A1 [0003, 0005]
