DE102016212535B4 - Device for speed monitoring of a shaft and turbo machine with a device for speed monitoring - Google Patents

Device for speed monitoring of a shaft and turbo machine with a device for speed monitoring Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung einer Welle (106, 107, 108) einer Turbomaschine (100) mit einer Drehzahlmessvorrichtung (50) zur Messung der Drehzahl der Welle (106, 107, 108) im Normalbetrieb, wobei die Drehzahlmessvorrichtung (50) an einem feststehenden Strukturelement (60) der Turbomaschine (100) angeordnet ist, gekennzeichnet durch mindestens eine elastische Kupplung (51) in der Welle (106, 107, 108) zum Ausgleich von radialen und / oder axialen Relativbewegungen zwischen der Drehzahlmessvorrichtung (50) und der Welle (106, 107, 108) und mindestens ein Trockenlager (52) zur Lagerung der Welle (106, 107, 108) .Device for speed monitoring of a shaft (106, 107, 108) of a turbo machine (100) with a speed measuring device (50) for measuring the speed of the shaft (106, 107, 108) in normal operation, the speed measuring device (50) on a fixed structural element ( 60) of the turbomachine (100) is arranged, characterized by at least one elastic coupling (51) in the shaft (106, 107, 108) to compensate for radial and / or axial relative movements between the speed measuring device (50) and the shaft (106, 107, 108) and at least one dry storage (52) for supporting the shaft (106, 107, 108).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung einer Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8.The invention relates to a device for monitoring the speed of a shaft with the features of claim 1 and a turbo machine with the features of claim 8.

Die Überwachung, insbesondere die Messung der Drehzahl einer Welle in einer Turbomaschine (z.B. eines Flugzeugtriebwerkes), erfolgt insbesondere, um die Turbomaschine zu regeln, zu schützen und zu überwachen.The monitoring, in particular the measurement of the speed of a shaft in a turbo machine (e.g. an aircraft engine), is carried out in particular to regulate, protect and monitor the turbo machine.

Dabei ist es bekannt, Drehzahlmessungen unter Verwendung von elektromagnetischen Messprinzipien vorzunehmen. Dabei wird z.B. ein ferromagnetisches Teil, das auch als phonisches Rad bezeichnet wird, durch ein magnetisches Feld eines elektronischen Messinstrumentes - dem Drehzahlmesser - bewegt. Das phonische Rad weist eine teilweise magnetisierte Struktur auf, die bei der Rotation ein elektromagnetisches Signal abgibt, aus dem die Drehzahl ermittelbar ist.It is known to carry out speed measurements using electromagnetic measuring principles. E.g. a ferromagnetic part, also known as a phonic wheel, is moved by a magnetic field of an electronic measuring instrument - the tachometer. The phonic wheel has a partially magnetized structure which, when rotating, emits an electromagnetic signal from which the speed can be determined.

Durch ein Schadensereignis in einem Flugzeugtriebwerk, wie z.B. einem Vogelflugschaden, einem Fan-blade-off Ereignis, einem Lagerschaden oder einem Wellenbruch kann es zur einer Fehlausrichtung der Triebwerkkomponenten kommen, die dazu führt, dass das phonische Rad den Drehzahlmesser berührt. Dies führt häufig zu Beschädigungen der Messvorrichtung und zum Verlust der Regel- und Schutzfunktion und damit letztlich zu einem Abschalten des Triebwerks.A damage event in an aircraft engine, e.g. A bird flight damage, a fan blade-off event, a bearing damage or a broken shaft can lead to a misalignment of the engine components, which leads to the phonic wheel touching the tachometer. This often leads to damage to the measuring device and to the loss of the control and protective function and thus ultimately to shutdown of the engine.

Die DE 11 36 538 A beschreibt eine Brennstoffregelanlage mit einer Drehzahlregelung für Gasturbinentriebwerke.The DE 11 36 538 A describes a fuel control system with speed control for gas turbine engines.

In der DE 10 2012 213 961 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichters einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei die Vorrichtung mittels eines Adapters, der eine elastische Kupplung umfasst, an dem Verdichter befestigbar ist.In the DE 10 2012 213 961 A1 describes a device for determining a speed of a compressor of an internal combustion engine, the device being attachable to the compressor by means of an adapter which comprises an elastic coupling.

Die DE 41 27 395 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen und Orten von Veränderungen an einem Bauteil einer Turbine.The DE 41 27 395 A1 describes a method and a device for recognizing and locating changes in a component of a turbine.

In der DE 10 2013 101 791 A1 ist eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung einer Verdrillung einer Welle innerhalb einer Fluggasturbine offenbart.In the DE 10 2013 101 791 A1 discloses a sensor device for determining a twist of a shaft within an aircraft gas turbine.

Die US 5 787 711 A beschreibt eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Drehzahl eines Turboladers.The U.S. 5,787,711 A describes a measuring device for determining a speed of a turbocharger.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Turbomaschine, z.B. ein Flugzeugtriebwerk, insbesondere robust gegenüber Schadensereignissen auszustatten.It is therefore an object to develop a turbo machine, e.g. to equip an aircraft engine, in particular robust against damage events.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung einer Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a device for monitoring the speed of a shaft having the features of claim 1.

Dabei dient mindestens eine elastische Kupplung in der Welle zum Ausgleich von radialen und / oder axialen Relativbewegungen zwischen der Drehzahlmessvorrichtung und der Welle. Ferner dient mindestens ein Trockenlager zur Lagerung der Welle. Beide konstruktiven Elemente, die elastische Kupplung und das Trockenlager sorgen insbesondere im Falle eines Schadenereignisses für eine Stabilisierung der Welle und verhindern so, dass die Drehzahlmessvorrichtung beschädigt oder zerstört wird.At least one elastic coupling in the shaft serves to compensate for radial and / or axial relative movements between the speed measuring device and the shaft. Furthermore, at least one dry bearing is used to support the shaft. Both structural elements, the elastic coupling and the dry bearing, ensure stabilization of the shaft, especially in the event of a damage event, and thus prevent the rotational speed measuring device from being damaged or destroyed.

In einer Ausführungsform ist die mindestens eine elastische Kupplung als Bolzenkupplung, Klauenkupplung, Verdrehfederkupplung, metallelastische Kupplung, insbesondere als Schlangenfederkupplung oder als eine Schraubenfederkupplung ausgebildet. Diese Kupplungsbauformen können je nach Anforderung an die Übertragung des Drehmoments eingestellt werden.In one embodiment, the at least one elastic coupling is designed as a pin coupling, claw coupling, torsion spring coupling, metal-elastic coupling, in particular as a serpentine spring coupling or as a helical spring coupling. These coupling designs can be adjusted depending on the requirements for the transmission of the torque.

Auch kann in einer Ausführungsform das mindestens eine Trockenlager eine keramische Anlauffläche aufweisen oder aus Keramik bestehen. Dabei kann das Trockenlager insbesondere umlaufend in der Turbomaschine angeordnet sein, so dass sich ein sicherer Halt ergibt.In one embodiment, the at least one dry bearing can also have a ceramic contact surface or consist of ceramic. In this case, the dry store can in particular be arranged circumferentially in the turbo machine, so that a secure hold results.

Für eine stabile Anordnung kann das mindestens eine Trockenlager an einem feststehenden Strukturelement angeordnet sein, insbesondere am gleichen feststehenden Strukturelement wie die Drehzahlmessvorrichtung. Das feststehende Strukturelement kann z.B. ein Teil des Turbinengehäuses sein.For a stable arrangement, the at least one dry store can be arranged on a stationary structural element, in particular on the same stationary structural element as the rotational speed measuring device. The fixed structural element can e.g. be part of the turbine housing.

Die Aufgabe wird auch durch eine Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.The object is also achieved by a turbo machine with the features of claim 8.

In Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt

  • 1 eine schematische Darstellung eine Flugzeugtriebwerkes;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung.
The invention is explained in connection with the exemplary embodiments shown in the figures. It shows
  • 1 a schematic representation of an aircraft engine;
  • 2 a schematic representation of an embodiment of a device for speed monitoring.

In 1 ist als Beispiel für eine Turbomaschine ein dreiwelliges, an sich bekanntes Flugzeugtriebwerk 100 dargestellt. Das Flugzeugtriebwerk 100 weist eine Fanstufe 101, eine Niederdruck-Kompressorstufe 102 und eine Hochdruck-Kompressorstufe 103 auf. Diese werden durch Turbinenstufen 105 in bekannter Weise über eine Hochdruckwelle 106, eine Mitteldruckwelle 107 und eine Niederdruckwelle 108 angetrieben. Ferner weist das Flugzeugtriebwerk 100 ebenfalls eine Brennkammer 104 auf.In 1 is an example of a turbomachine, a three-shaft aircraft engine known per se 100 shown. The aircraft engine 100 has a fan level 101 , a low pressure compressor stage 102 and a high pressure compressor stage 103 on. These are through turbine stages 105 in a known manner via a high pressure wave 106 , a medium pressure wave 107 and a low pressure wave 108 driven. Furthermore, the aircraft engine 100 also a combustion chamber 104 on.

Dabei weisen die Fanstufe 101, die Kompressorstufen 102, 103 und die Turbinenstufen 105 jeweils zahlreiche Schaufelblätter 10 auf, die der in das Triebwerk 100 strömenden Luft Arbeit zuführen oder dieser Luft Arbeit entnehmen.Show the fan level 101 , the compressor stages 102 , 103 and the turbine stages 105 numerous shovel blades each 10 on that of the in the engine 100 Add work to flowing air or take work out of this air.

Für eine Auslegung der Turbomaschine 100 ist es sinnvoll eine robuste Vorrichtung zur Überwachung der Drehzahl mindestens einer Wellen 106, 107, 108 vorzunehmen.For a design of the turbo machine 100 it makes sense to have a robust device for monitoring the speed of at least one shaft 106 , 107 , 108 to undertake.

In 2 ist eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung dargestellt, die hier beispielhaft an der Niederdruckwelle 108 angeordnet ist. In dem Ausschnitt der 2 sind zwei Turbinenstufen 105 aus dem Bereich der Niederdruckturbine dargestellt.In 2 an embodiment of such a device is shown, which is exemplified here on the low-pressure shaft 108 is arranged. In the section of the 2 are two turbine stages 105 from the area of the low-pressure turbine.

Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung aber auch an der Hochdruckwelle 106 oder der Mitteldruckwelle 107 angeordnet sein.Alternatively or additionally, however, the device can also be attached to the high pressure shaft 106 or the medium pressure wave 107 be arranged.

Dabei ist eine Drehzahlmessvorrichtung 50 zur Messung der Drehzahl der Welle 108 an einem feststehenden Strukturelement 60 innerhalb eines Hohlraumes im Turbinenbereich angeordnet, d.h. die Welle 108 dreht sich in der dargestellten Ausführungsform radial innerhalb unter der Drehzahlmessvorrichtung 50 hinweg. Die Drehzahlmessvorrichtung 50 und die überwachte Welle 108 bewegen sich unter Vibrationen gleichförmig, so dass jeweils der notwendige minimale und maximale Abstand eingehalten wird.There is a speed measuring device 50 for measuring the speed of the shaft 108 on a fixed structural element 60 arranged within a cavity in the turbine area, ie the shaft 108 rotates radially inward under the speed measuring device in the embodiment shown 50 away. The speed measuring device 50 and the monitored wave 108 move uniformly under vibrations, so that the necessary minimum and maximum distance is maintained.

In der Niederdruckwelle 108 ist eine elastische Kupplung 51 zum Ausgleich der radialen und / oder axialen Relativbewegungen zwischen der Drehzahlmessvorrichtung und der Welle 108 angeordnet.In the low pressure wave 108 is a flexible coupling 51 to compensate for the radial and / or axial relative movements between the speed measuring device and the shaft 108 arranged.

Eine elastische Kupplung dient grundsätzlich der Minderung von auftretenden Drehmomentspitzen, der Verringerung der Ausschläge bei periodischen Drehmomentschwankungen (Schwingungen) und der Beeinflussung von Eigenfrequenzen. Die Stoßminderung beruht in erster Linie auf der Speicherwirkung der elastischen Elemente in der elastischen Kupplung. Dabei kann eine elastische Kupplung 51 z.B. als Bolzenkupplung, Klauenkupplung, Verdrehfederkupplung, metallelastische Kupplung, insbesondere einer Schlangenfederkupplung oder als Schraubenfederkupplung ausgebildet sein.A flexible coupling basically serves to reduce occurring torque peaks, to reduce the deflections in the case of periodic torque fluctuations (vibrations) and to influence natural frequencies. The shock reduction is based primarily on the storage effect of the elastic elements in the elastic coupling. An elastic coupling can be used 51 be designed, for example, as a pin coupling, claw coupling, torsion spring coupling, metal-elastic coupling, in particular a snake spring coupling, or as a helical spring coupling.

Bei einer Schlangenfederkupplung dienen z.B. metallische in schlangenform gebogene Stahlfedern als elastisches Element. Bei einer Schraubenfederkupplung dienen vorgespannte Schraubendruckfedern als elastische Elemente.In the case of a snake spring clutch, e.g. metallic steel springs bent in a snake shape as an elastic element. In a helical spring clutch, preloaded helical compression springs serve as elastic elements.

Durch die flexible Kupplung 51 wird die Messstelle von radialen und / oder lateralen Bewegungen der Welle 108 isoliert. Damit wird ein Drehmoment übertragen, nicht aber die radialen und / oder lateralen Bewegungen. Damit ist es möglich, die notwendigen Abstände zwischen der Drehzahlmessvorrichtung 50 und der Welle 108 im Normalbetrieb, aber auch im Schadensfall (z.B. Vogelschlag, fan-blade-off, core-blade-off, Wellenversagen) einzuhalten.Thanks to the flexible coupling 51 becomes the measuring point of radial and / or lateral movements of the shaft 108 isolated. A torque is thus transmitted, but not the radial and / or lateral movements. This makes it possible to set the necessary distances between the speed measuring device 50 and the wave 108 to be observed in normal operation, but also in the event of damage (e.g. bird strike, fan-blade-off, core-blade-off, shaft failure).

Des Weiteren wird die Robustheit der Lagerung durch ein Trockenlager 52 verbessert, das der Lagerung der Welle 108 im Falle eines Schadensereignisses dient. Das Trockenlager 52 ist radial unterhalb der Drehzahlmessvorrichtung 50 an dem gleichen feststehenden Strukturelement 60 angeordnet, wie die Drehzahlmessvorrichtung 50. Insbesondere im Falle eines Schadens dient das Trockenlager 52 der Stabilisierung der Welle 108. Dazu dient eine keramische Anlauffläche (keramische Beschichtung eines Metallteils oder keramisches Vollmaterial).Furthermore, the robustness of the storage is enhanced by a dry storage 52 improved the bearing of the shaft 108 in the event of a damaging event. The dry store 52 is radially below the speed measuring device 50 on the same fixed structural element 60 arranged as the speed measuring device 50 . The dry storage area is particularly useful in the event of damage 52 the stabilization of the wave 108 . A ceramic contact surface (ceramic coating of a metal part or ceramic solid material) is used for this.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

5050
DrehzahlmessvorrichtungSpeed measuring device
5151
flexible Kupplungflexible coupling
5252
Trockenlager Dry storage
6060
feststehendes Strukturelement fixed structural element
100100
Turbomaschine, FlugzeugtriebwerkTurbomachine, aircraft engine
101101
FanstufeFan level
102102
Niederdruck-KompressorstufeLow pressure compressor stage
103103
Hochdruck-KompressorstufeHigh pressure compressor stage
104104
BrennkammerCombustion chamber
105105
TurbinenstufenTurbine stages
106106
HochdruckwelleHigh pressure wave
107107
MitteldruckwelleMedium pressure wave
108108
NiederdruckwelleLow pressure wave

Claims (9)

Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung einer Welle (106, 107, 108) einer Turbomaschine (100) mit einer Drehzahlmessvorrichtung (50) zur Messung der Drehzahl der Welle (106, 107, 108) im Normalbetrieb, wobei die Drehzahlmessvorrichtung (50) an einem feststehenden Strukturelement (60) der Turbomaschine (100) angeordnet ist, gekennzeichnet durch mindestens eine elastische Kupplung (51) in der Welle (106, 107, 108) zum Ausgleich von radialen und / oder axialen Relativbewegungen zwischen der Drehzahlmessvorrichtung (50) und der Welle (106, 107, 108) und mindestens ein Trockenlager (52) zur Lagerung der Welle (106, 107, 108) .Device for speed monitoring of a shaft (106, 107, 108) of a turbo machine (100) with a speed measuring device (50) for measuring the speed of the shaft (106, 107, 108) in normal operation, the speed measuring device (50) on a fixed structural element ( 60) of the turbomachine (100) is arranged, characterized by at least one elastic coupling (51) in the shaft (106, 107, 108) to compensate for radial and / or axial relative movements between the Speed measuring device (50) and the shaft (106, 107, 108) and at least one dry bearing (52) for supporting the shaft (106, 107, 108). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elastische Kupplung (51) als Bolzenkupplung, Klauenkupplung, Verdrehfederkupplung, metallelastische Kupplung, insbesondere eine Schlangenfederkupplung oder als eine Schraubenfederkupplung ausgebildet ist.Device according to Claim 1 , characterized in that the at least one elastic coupling (51) is designed as a pin coupling, claw coupling, torsion spring coupling, metal-elastic coupling, in particular a serpentine spring coupling or as a helical spring coupling. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Trockenlager (52) eine keramische Anlauffläche aufweist oder aus Keramik besteht.Device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the at least one dry store (52) has a ceramic contact surface or consists of ceramic. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockenlager (52) umlaufend in der Turbomaschine (100) angeordnet ist.Device according to Claim 3 , characterized in that the dry storage (52) is arranged circumferentially in the turbo machine (100). Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Trockenlager (52) an einem feststehenden Strukturelement (60) angeordnet ist.Device according to Claim 3 or 4th , characterized in that the at least one dry storage (52) is arranged on a fixed structural element (60). Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Trockenlager (52) am gleichen feststehenden Strukturelement (60) wie die Drehzahlmessvorrichtung (50) angeordnet ist.Device according to Claim 5 , characterized in that the at least one dry storage (52) is arranged on the same fixed structural element (60) as the speed measuring device (50). Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Strukturelement (60) ein Teil eines Turbinengehäuses ist.Device according to Claim 5 or 6th , characterized in that the fixed structural element (60) is part of a turbine housing. Turbomaschine mit mindestens einer Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7.Turbomachine with at least one device for speed monitoring according to at least one of the Claims 1 to 7th . Turbomaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine ein Flugzeugtriebwerk (100) ist.Turbo engine after Claim 8 , characterized in that the turbomachine is an aircraft engine (100).
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