DE102018208003A1

DE102018208003A1 - Sensor für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE102018208003A1
Application number: DE102018208003.8A
Authority: DE
Inventors: Linbo Tang; Felix ROSENBURG; Roland Werthschützky; Ralf Riedel
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2019-11-28
Also published as: US20190360972A1

Abstract

Ein Sensor (100) für eine Gasturbine (10) umfasst ein Sensorelement (101), umfassend oder bestehend aus einer polymerabgeleiteten Keramik, und eine Vorspanneinrichtung (103), die dazu ausgebildet ist, das Sensorelement (101) gegen eine Oberfläche (O) vorzuspannen. Ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors für eine Gasturbine (10) umfasst folgende Schritte: Bereitstellen (S1) eines Sensorelements (101), umfassend oder bestehend aus einer polymerabgeleiteten Keramik, und Bereitstellen (S1) einer Vorspanneinrichtung (103), die dazu ausgebildet ist, das Sensorelement (101) gegen eine Oberfläche (O) vorzuspannen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Sensor für eine Gasturbine gemäß Anspruch 1, auf eine Anordnung, ein Gasturbinentriebwerk und auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach Anspruch 12.
Piezoelektrische, piezoresistive oder kapazitive Sensoren weisen regelmäßig Eigenschaften auf, z.B. einen messbaren Frequenzbereich, eine Druckfestigkeit und/oder einen Temperatureinsatzbereich, die einen Einsatz in bestimmten Anwendungsbereichen verhindern. Zum Beispiel weisen einige Bereiche von Gasturbinen, insbesondere von Gasturbinentriebwerken, hohe Temperaturen im Bereich von 300 oder 400 Grad Celsius auf, denen viele Sensoren, insbesondere einige Körperschallsensoren, nicht oder nur durch aufwändige Maßnahmen standhalten können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor, insbesondere einen Körperschallsensor, bereitzustellen, der bei einem einfachen Aufbau eine möglichst hohe Temperaturfestigkeit aufweist.
Gemäß einem Aspekt wird ein Sensor für eine Gasturbine, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk bereitgestellt. Der Sensor umfasst ein Sensorelement, umfassend oder bestehend aus einer polymerabgeleiteten Keramik, und eine Vorspanneinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Sensorelement gegen eine Oberfläche (insbesondere federelastisch) vorzuspannen.
Auf diese Weise wird ein Sensor bereitgestellt, der bei einem einfachen Aufbau eine hohe Empfindlichkeit aufweisen kann und bei hohen Temperaturen bis 400 Grad Celsius und höher einsetzbar ist. Der Sensor ist zudem sehr druckstabil ausführbar. Die definierte Vorspannung des Sensorelements ermöglicht dabei bei dem genannten Material des Sensorelements besonders präzise Messungen. Die polymerabgeleitete Keramik (polymer-derived ceramic, PDC) weist piezoresistive Eigenschaften auf.
Der Sensor kann als Dehnungssensor und/oder als Körperschallsensor ausgebildet sein und verwendet werden.
Die polymerabgeleitete Keramik ist z.B. SiOC/C, also ein Slizium-Oxykarbidkomposit mit einer segregierten Kohlenstoffphase. Dieses Material weist insbesondere für den Einsatz als Körperschallsensor besonders geeignete piezoresistive Eigenschaften auf.
Das Sensorelement umfasst z.B. 6 bis 20 vol% Kohlenstoff, insbesondere 11 bis 17 vol% Kohlenstoff. Innerhalb dieser Grenzen sind besonders gute Sensorempfindlichkeiten bei gleichzeitiger mechanischer Stabilität des Materials möglich.
Für eine möglichst gute elektrische Kontaktierung können Elektroden am Sensorelement vorgesehen sein. Die Elektroden sind insbesondere entlang einer Achse voneinander beabstandet.
Die Achse, entlang der die Elektroden am Sensorelement voneinander beabstandet sind, kann senkrecht zur Kraft der Vorspannung ausgerichtet sein, wenn das Sensorelement mittels der Vorspanneinrichtung gegen die Oberfläche vorgespannt ist.
Die Vorspanneinrichtung umfasst optional ein Federelement mit U-förmigen Federabschnitten und/oder mit einem Anlageabschnitt zur Anlage am Sensorelement. Der Anlageabschnitt kann zwischen den Federabschnitten angeordnet sein. So kann eine sichere Halterung des Sensorelements bereitgestellt werden, die eine vorbestimmte Kraft auf das Sensorelement ausübt.
Das Federelement kann ferner Montageabschnitte zur Montage des Federelements an einem Bauteil aufweisen. Optional sind die Federabschnitte zwischen den Montageabschnitten angeordnet. Die Federabschnitte können so ausgebildet sein, dass sie den Anlageabschnitt mit einer Kraft von 200 bis 400 N, insbesondere von 300 N, gegen die Oberfläche pressen, wenn die Montageabschnitte (entsprechend fest) an der Oberfläche (O) montiert sind. Die Anpresskraft ist somit vorgebbar und unabhängig von einer Schraubkraft, mit der das Federelement mit dem Bauteil verschraubt ist (sobald eine Mindest-Schraubkraft erreicht ist). Das Federelement ist z.B. so ausgebildet, dass das Sensorelement zwischen den Montageabschnitten und dem Anlageabschnitt anordenbar ist. Das Federelement kann eine Aufnahme für das Sensorelement definieren.
Gemäß einem Aspekt wird eine Anordnung bereitgestellt, die ein Bauteil für eine Gasturbine (oder ein Bauteil einer Gasturbine) und zumindest einen Sensor nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung umfasst. Das Bauteil weist eine Oberfläche auf und das Sensorelement des Sensors ist mittels der Vorspanneinrichtung des Sensors gegen die Oberfläche vorgespannt.
Ein Aspekt betrifft ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug, umfassend ein Kerntriebwerk, das eine Turbine, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst; einen Fan, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist, wobei der Fan mehrere Fanschaufeln umfasst; ein Getriebe, das von der Kernwelle antreibbar ist, wobei der Fan mittels des Getriebes mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle antreibbar ist, und zumindest ein Bauteil, insbesondere eine Scheibe, nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausführung. Das Gasturbinentriebwerk umfasst ferner zumindest einen Sensor nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung oder die vorbeschriebene Anordnung mit einem solchen Sensor. Bei dem Bauteil, an dem der Sensor montiert ist, kann es sich insbesondere um ein Teil eines Gehäuses des Gasturbinentriebwerks handeln oder um ein Teil des Getriebes.
Bei dem Gasturbinentriebwerk kann die Turbine eine erste Turbine sein, der Verdichter ein erster Verdichter sein und die Kernwelle eine erste Kernwelle sein. Optional umfasst das Kerntriebwerk ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; und die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle dahingehend angeordnet sind, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors für eine Gasturbine, insbesondere eines Sensors nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Bereitstellen eines Sensorelements, umfassend oder bestehend aus einer polymerabgeleiteten Keramik, und Bereitstellen einer Vorspanneinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Sensorelement gegen eine Oberfläche vorzuspannen.
So kann ein Sensor bereitgestellt werden, der einen einfachen Aufbau und eine hohe Empfindlichkeit aufweist und bei hohen Temperaturen bis 400 Grad Celsius und höher einsetzbar ist.
Das Bereitstellen des Sensorelements kann das Herstellen des Sensorelements bei einer Synthesetemperatur von über 1500 °C umfassen, insbesondere bei 1600 °C +/-100 °C oder 1600 °C +/- 50 °C. Hierbei ist ein besonders stabiles Sensorelement mit einer Dichte von mindestens 2.2 - 2.4 g/cm³ und einer Porosität unter 1% erhältlich.
Das Verfahren kann ferner folgende Schritte umfassen: Bearbeiten von Kontaktflächen des Sensorelements durch Sputtern und Anbringen von (voneinander beabstandeten) Elektroden an den bearbeiten Kontaktflächen. Es hat sich gezeigt, dass bei dem Material des Sensorelements insbesondere auf diese Weise eine besonders gute, verformungsstabile Kontaktierung erzielt werden kann, welche eine anschließende Kontaktierung der Kontaktdrähte (insbesondere Golddrähte) mittels Goldpaste ermöglicht. Die gesputterte Schicht weist z.B. eine Dicke von mindestens 70 nm auf.
Das Verfahren kann ferner folgenden Schritt umfassen: Vorspannen des Sensorelements gegen die Oberfläche des Bauteils mittels der Vorspanneinrichtung, wobei die Kraft der Vorspannung insbesondere senkrecht zur Anordnung der Elektroden ausgerichtet sein kann.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk, z.B. ein Flugzeugtriebwerk, beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Kerntriebwerk umfassen, das eine Turbine, eine Brennervorrichtung, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Fan (mit Fanschaufeln) umfassen, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Getriebe-Fans, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das über die Kernwelle angetrieben wird und dessen Abtrieb den Fan so antreibt, dass er eine niedrigere Drehzahl als die Kernwelle aufweist. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt über die Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Das Kerntriebwerk kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, eine Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen generell ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend ausgebildet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel). Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es lediglich von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel). Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine Brennvorrichtung axial stromabwärts des Fans und des Verdichters (oder der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Brennervorrichtung direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Die Brennervorrichtung kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln handeln kann (d.h. der Anstellwinkel kann variabel sein). Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Jede Fanschaufel kann eine radiale Spannweite aufweisen, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden, von Gas überströmten Stelle oder sich von einer Position einer Spannweite von 0 % zu einer Spitze mit einer Spannweite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann bei weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei Werten im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der vorderen Kante (oder der axial am weitesten vorne liegenden Kante) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Fanschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Fanschaufel an ihrer vorderen Kante gemessen werden. Der Durchmesser des Fans (der allgemein das Doppelte des Radius des Fans sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Fandurchmesser kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Fans kann im Betrieb variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Fans mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich der Fan (mit zugehörigen Fanschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Fanschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Fanschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Fanspitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über den Fan hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Fanspitze, beispielsweise an der vorderen Kante der Spitze, ist (die als Fanspitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Fanspitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Fanspitzenbelastung kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (oder in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Kerntriebwerks befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Fangehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Fans zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in die Brennervorrichtung) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 N kg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1s oder 80 Nkg^-1s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 °C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 °C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zur Brennvorrichtung, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K oder 1650 K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850 K, 1900 K, 1950 K oder 2000 K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Fanschaufel und/oder ein Blattabschnitt (aerofoil) einer Fanschaufel, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Fanschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Fanschaufel eine vordere Schutzkante aufweisen, die unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch eine vordere Kante kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Fanschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Fan, der hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Fanschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Fanschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Fanschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Fanschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Fanschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden.
Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Fanschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und/oder beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann im Betrieb eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals erlauben. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Der Fan einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Fanschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Fanschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantgeschwindigkeitsbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantgeschwindigkeitsbedingung außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe entsprechen, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 °C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Fanbetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen der Fan (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Betrieb kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise zwei oder vier) Gasturbinentriebwerk(e) zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
3 eine zum Teil weggeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gastu rb i nentriebwerk;
4 einen Körperschallsensor des Gasturbinentriebwerks mit einem Sensorelement und einer Vorspanneinrichtung;
5 ein Federelement der Vorspanneinrichtung des Körperschallsensors;
6 das Sensorelement des Körperschallsensors;
7 den Körperschallsensor im an einem Bauteil des Gasturbinentriebwerks montierten Zustand; und
8 ein Verfahren zur Herstellung des Körperschallsensors.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein epizyklisches Planetengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des epizyklischen Planetengetriebes 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 führt die Planetenräder 32 so, dass sie synchron um das Sonnenrad 28 kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Fan 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht den Fan 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die verbindende Welle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann der Fan 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das epizyklische Planetengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne an ihrem Umfang, um ein Kämmen mit den anderen Zahnrädern zu ermöglichen. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines epizylischen Planetengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Planetengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Planetengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird der Fan 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Gasturbinentriebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Gasturbinentriebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Gasturbinentriebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Gasturbinentriebwerks 10 (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder epizyklisch planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
Wie in den 2 und 3 veranschaulicht, umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 zumindest einen Körperschallsensor 100, konkret mehrere Körperschallsensoren 100, zum Erfassen von Körperschall. Mittels der Körperschallsensoren 100 kann die Funktion verschiedener Bauteile des Gasturbinentriebwerks 10 überwacht werden. Beispielsweise können Änderungen in einem durch einen der Körperschallsensoren 100 gemessenen Frequenzspektrum auf einen Verschleiß oder einen drohenden Defekt eines Bauteils hinweisen.
Einer der Körperschallsensoren 100 ist an der stationären Stützstruktur 24 montiert. Ein weiterer Körperschallsensor 100 ist am Hohlrad 38 des Getriebes 30 montiert. Weitere Körperschallsensoren 100 können an anderen Bauteilen des Gasturbinentriebwerks 10 montiert sein, z.B. im Bereich von Wellenlagerungen, an einer Gehäuseschale oder an einer Turbine 17, 19.
Die Körperschallsensoren 10 sind an eine Auswerteeinheit 108 angeschlossen. Die Auswerteeinheit 108 erfasst Messwerte der Körperschallsensoren 100. Beispielsweise bestimmt die Auswerteeinheit 108 ein Frequenzspektrum der erfassten Messwerte jedes der Körperschallsensoren 100. Die Auswerteeinheit 108 kann das Frequenzspektrum analysieren (insbesondere fortlaufend), z.B. mit einem vorbestimmten Vergleichsspektrum vergleichen, um einen Verschleiß oder einen drohenden Defekt eines Bauteils zu erkennen.
Nachfolgend wird der Aufbau der Körperschallsensoren 100 näher erläutert werden.
4 zeigt einen Körperschallsensor 100 in einer Querschnittsansicht. Der Körperschallsensor 100 umfasst ein Sensorelement 101 und eine Vorspanneinrichtung 103.
Das Sensorelement 101 ist aus einer polymerabgeleiteten Keramik hergestellt. Im gezeigten Beispiel umfasst das Sensorelement 101 Silizium-Oxykarbid (SiOC). Vorliegend weist das Sensorelement 101 eine Silizium-Oxykarbid-Phase und eine Kohlenstoffphase, konkret eine segregierte Kohlenstoffphase auf. Das Sensorelement 101 besteht zumindest überwiegend aus einem Silizium-Oxykarbid-Nanokomposit, auch als SiOC/C bezeichnet. Das Sensorelement 101 umfasst z.B. 12 vol% Kohlenstoff, wobei allgemein insbesondere 11 bis 17 vol% Kohlenstoff besonders gute elektrische Eigenschaften für präzise Körperschallmessungen ermöglichen. Das Sensorelement 101 weist piezoresistive Eigenschaften auf. Das Silizium-Oxykarbid-Nanokompositmaterial ist besonders temperaturstabil und kann z.B. bei Temperaturen von 400 Grad Celsius eingesetzt werden.
Das Sensorelement 101 umfasst ferner zwei Elektroden 102A, 102B an gegenüberliegenden Seiten des Sensorelements 101.
Zwischen den Elektroden 102A, 102B weist das Sensorelement 101 im unbelasteten Zustand einen elektrischen Widerstand von z.B. 100 Ohm oder mehr, z.B. 100 bis 500 Ohm auf. Die polymerabgeleitete Keramik weist piezoresistive Eigenschaften auf, d.h. ein Druck oder ein Zug am Sensorelement 101 bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstands. Durch eine Messung des Widerstands zwischen den Elektroden 102A, 102B können somit auf das Sensorelement einwirkende Dehnungen und Schwingungen erfasst werden.
Die Vorspanneinrichtung 103 umfasst ein Federelement 109 und mehrere, vorliegend zwei Befestigungselemente zum Befestigen des Federelements 109 an einer Oberfläche O eines Bauteils 42, dessen Körperschall gemessen werden soll. Vorliegend handelt es sich bei den Befestigungselementen um Schrauben 107 (z.B. der Größe M17).
Wie insbesondere anhand der 4 und 5 veranschaulicht, weist das Federelement 109 eine mehrfach gebogene Form auf. Dabei ist ein ebener Anlageabschnitt 105 zwischen zwei jeweils U-förmigen Federabschnitten 106 angeordnet. Die U-förmigen Federabschnitte 106 weisen jeweils zwei Schenkel auf. Wie im gezeigten Beispiel können die Schenkel zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen. Jeweils ein Schenkel der Federabschnitte 106 grenzt an den Anlageabschnitt 105 an und verbindet den jeweiligen Federabschnitt 106 mit dem Anlageabschnitt 105. Dieser Schenkel erstreckt sich im vorliegenden Beispiel (zumindest in einem unbelasteten Zustand) senkrecht zum Anlageabschnitt 105. Der jeweils andere Schenkel grenzt jeweils an einen Montageabschnitt 104 an und verbindet den jeweiligen Federabschnitt 106 mit dem Montageabschnitt 104. Dieser Schenkel erstreckt sich im vorliegenden Beispiel (zumindest in einem unbelasteten Zustand) rechtwinklig zum Montageabschnitt 104. Zumindest im unbelasteten Zustand verlaufen die Schenkel jedes Federabschnitts 106 parallel zueinander. Die Montageabschnitte 104 und der Anlageabschnitt 105 verlaufen (wiederum zumindest im unbelasteten Zustand) parallel zueinander und in zueinander versetzten Ebenen. Dazwischen wird somit eine Aufnahme für das Sensorelement 101 bereitgestellt.
Das Federelement 109 ist aus Federstahl hergestellt. Das Federelement 109 ist einstückig ausgebildet. Bei dem Federelement 109 handelt es sich vorliegend um einen mehrfach gebogenen Streifen eines Flachmaterials. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Federelement topfförmig ausgebildet, z.B. rotationssymmetrisch um eine Achse senkrecht durch die Mitte des Anlageabschnitts 105. Der Querschnitt entspricht dann z.B. dem Querschnitt gemäß 4.
Gemäß 4 ist das Sensorelement 101 zwischen den Montageabschnitten 104 und dem Anlageabschnitt 105 angeordnet. Mittels der Schrauben 107 ist das Federelement 109 fest mit dem Bauteil 42 verschraubt. Die Schrauben 107 sind so fest angezogen, dass sie die Anlageabschnitte 104 jeweils mit einer Schraubkraft von z.B. 200 N gegen die Oberfläche O pressen. Die Länge der Schenkel der Federabschnitte 106 und die Abmessungen des Sensorelements 101 sind so bemessen, dass der Anlageabschnitt 105 das Sensorelement 101 gegen die Oberfläche vorspannt, z.B. mit einer Anpresskraft F von 300 N. Hierbei werden die Federabschnitte 106 federelastisch gebogen, wie in 4 mittels einer gestrichelten Linie veranschaulicht.
Durch die gezeigte Ausgestaltung des Federelements 109 ist die Anpresskraft F ab einer Mindest-Schraubkraft unabhängig von der Schraubkraft. Das Sensorelement 101 ist somit unempfindlich gegenüber übermäßig fest angezogenen Schauben, was die Montage des Kraftsensors 100 vereinfachen kann. Zudem stellt das Federelement 109 eine vordefinierte Anpresskraft F bereit, wodurch die Messergebnisse des Körperschallsensors 100 besonders verlässlich sein können.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Vorspannung des Sensorelements 101 zudem eine besonders gute, insbesondere reproduzierbare Qualität der Messung erzielt werden kann. Ferner ist es nicht notwendig, zur Befestigung des Sensorelements 101 an der Oberfläche O einen Klebstoff oder ein Lot oder dergleichen einzusetzen. Derartige Zwischenmedien könnten z.B. die Auflösung der Messung negativ beeinflussen. Bei dem Körperschallsensor 100 gemäß 4 liegt das Sensorelement 101 direkt (ohne ein dazwischen angeordnetes Zwischenmedium) an der Oberfläche O an, insbesondere flächig.
Ferner kann das Sensorelement 101 aufgrund seiner keramischen Eigenschaften als Volumenkörper ausgelegt sein. Ein zusätzlicher Verformungskörper, wie in anderen Sensoren gebräuchlich, ist nicht notwendig.
In einer beispielhaften Ausgestaltung beträgt die Stärke a1 des Federelements 109 0,5 mm, die Länge a2 der Montageabschnitte 104 31,5 mm, die Länge a3 des jeweils an den Montageabschnitt 104 angrenzenden Schenkels der Federabschnitte 106 13,5 mm, der Abstand a4 der beiden Schenkel jedes der Federabschnitte 106 zueinander 2 mm, und die halbe Länge a5 des Anlageabschnitts 105 10 mm.
6 zeigt das Sensorelement 101 (die 4 bis 6 sind schematisch und nicht maßstabsgetreu). Das Sensorelement 101 ist in Form eines Quaders ausgebildet. Das Sensorelement 101 hat in einer beispielhaften Ausgestaltung eine Länge x von 10 mm, eine Breite y von 3 mm und eine Höhe z von 3 mm. Die Elektroden 102A, 102B sind an gegenüberliegenden Flächen des Sensorelements 101 angeordnet und somit (hier durch die Breite y des Sensorelements 101) voneinander beabstandet.
Das Sensorelement 101 und das Federelement 109 sind so zueinander angeordnet, dass die Anpresskraft F senkrecht zur Achse (hier entlang der Breite y) verläuft, entlang der die Elektroden 102A, 102B voneinander beabstandet sind. Ein Stromfluss zwischen den Elektroden 102, 102B verläuft nicht entlang eines Kraftpfades der Anpresskraft F. So kann verhindert werden, dass die Stärke der Anpresskraft F, insbesondere eine Änderung der Anpresskraft F, die Messergebnisse beeinflusst.
Bei den Elektroden 102A, 102B handelt es sich z.B. um Kontaktpads, die z.B. Gold umfassen oder daraus bestehen.
7 zeigt die am Bauteil 42 montierte Sensoranordnung 101. Bei dem Bauteil 42 handelt es sich um ein Bauteil des Gasturbinentriebwerks 10. Die Elektroden 102A, 102B des Sensorelements 101 sind über Signalleitungen an die Auswerteeinheit 108 elektrisch angeschlossen. Die Auswerteeinheit 108 misst z.B. den elektrischen Widerstand des Sensorelements 101 (von der einen Elektrode 102A zur anderen Elektrode 102B). Die Auswerteeinheit 108 ist hierzu z.B. dazu ausgebildet, die Elektroden 102A, 102B mit einer Spannung zu beaufschlagen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit 108 dazu ausgebildet sein, eine Spannung zwischen den Elektroden 102A, 102B zu messen.
Eine Vergleichsmessung mit einem Langasit-Plättchen, das ebenfalls am Bauteil 42 montiert worden ist, hat ergeben, dass das Sensorelement 101 verlässliche Messresultate von Schwingungsereignissen erzeugt. Das Sensorelement 101 konnte Frequenzen bis 100 kHz erfassen. Das Material des Sensorelements 101 weist eine hohe Druckfestigkeit auf. Beispielsweise weist das Sensorelement 101 ein E-Modul von 100 GPa auf.
Bezugnehmend auf 8 wird nachfolgend ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, insbesondere des vorbeschriebenen Körperschallsensors 100 erläutert.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Sensorelement 101 bereitgestellt, das eine polymerabgeleitete Keramik umfasst oder zumindest überwiegend, insbesondere vollständig daraus besteht.
Das Bereitstellen des Sensorelements 101 umfasst insbesondere das Herstellen des Sensorelements 101. Hierbei kann ein Vorkeramik-Polymerharz (preceramic polymer resin) verwendet werden, beispielsweise Polyramic® SPR-212, SPR-684 oder SPR-688 des Unternehmens Starfire Systems Ltd. oder Belsil® PMS-MK oder Silres® 604 der Wacker Chemie AG. Mit SPR-212 und Belsil® PMS-MK können besonders gute Resultate erreicht werden. Das Polymer wird in einem Ofen, z.B. bei 250 Grad Celsius für zwei Stunden thermisch vernetzt. Daraufhin wird eine zweistündige Pyrolyse bei 1100 Grad Celsius mit einer Heiz- und Abkühlrate von 100 Grad Celsius pro Stunde in einer Argonatmosphäre durchgeführt. Das resultierende Produkt wird auf eine Partikelgröße von höchstens 40 Mikrometer zu Pulver gemahlen. Das Pulver wird für 15 Minuten und mit einer Heizrate von 320 Grad Celsius pro Minute bei 1600 Grad Celsius heißgepresst (in einer Argonatmosphäre), wobei ein uniaxialer Druck von mindestens 50 MPa ausgeübt wird. Es hat sich gezeigt, dass bei dieser Temperatur von 1600 Grad Celsius eine geringe Porosität unter 1 % erreicht werden kann, ohne einen nennenswerten Verlust der Kohlenstoffphase.
Der resultierende Monolith kann z.B. in eine Quaderform geschnitten werden. Für eine möglichst ebene Oberfläche kann das so erhaltene Sensorelement 101 z.B. mittels eines Diamantschleifers poliert werden.
Das Sensorelement 101 besteht aus SiOC/C, einem Komposit mit einer amorphen glasähnlichen Matrix und einer Kohlenstoffphase, die ein sich gegenseitig perkulativ, durchdringendes Netzwerk bilden.
Der Kohlenstoffanteil im Sensorelement 101 liegt bei 6 bis 20 vol%, insbesondere bei 11 bis 17 vol% für eine besonders hohe Sensibilität. Der ohmsche Widerstand des unbelasteten Sensorelements 101 beträgt z.B. 100 Ohm. Durch eine Variation der (segregierten) Kohlenstoffphase kann die Empfindlichkeit des Sensorelements 101 bedarfsgerecht eingestellt werden.
In einem weiteren Schritt S2 wird eine Vorspanneinrichtung 103 bereitgestellt, die so ausgebildet ist, dass sie das Sensorelement 101 federelastisch gegen eine insbesondere ebene Oberfläche O vorspannen kann, z.B. mit einer vorgegebenen Kraft (beispielsweise 300 N).
In einem weiteren Schritt S3, der auch vor dem Schritt S2 des Bereitstellens der Vorspanneinrichtung 103 erfolgen kann, werden Oberflächen des Sensorelements 101 durch Sputtern bearbeitet (also durch Beschuss mit energiereichen Ionen).
Daraufhin wird in einem Schritt S4 an den bearbeiteten Oberflächen jeweils eine Elektrode 102A, 102B angebracht, insbesondere wird jeweils ein Draht mit Goldplaste eingebrannt.
In einem weiteren Schritt S5 wird das Sensorelement 101 mittels der Vorspanneinrichtung 103 gegen eine Oberfläche O eines Bauteils federelastisch vorgespannt.
Der so hergestellte Körperschallsensor 100 ist geeignet für den Einsatz zur Messung von Körperschall am Gasturbinentriebwerk 10, insbesondere auch für den Einsatz an Bauteilen, die im Betrieb eine Temperatur von bis zu 400 Grad Celsius aufweisen oder deren Umgebung im Betrieb eine Temperatur von bis zu 400 Grad Celsius aufweist.
Alternativ oder zusätzlich kann der Körperschallsensor 101 auch als Dehnungssensor eingesetzt werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
Bezugszeichenliste

9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Fan
24: stationäre Stützstruktur
26: Welle
27: Verbindungswelle
28: Sonnenrad
30: Getriebe
32: Planetenräder
34: Planetenträger
36: Gestänge
38: Hohlrad
40: Gestänge
42: Bauteil
100: Körperschallsensor (Sensor)
101: Sensorelement
102A, 102B: Elektrode
103: Vorspanneinrichtung
104: Montageabschnitt
105: Anlageabschnitt
106: Federabschnitt
107: Schraube
108: Auswerteeinheit
109: Federelement
A: Kernluftstrom
a1-a5: Abmessungen
B: Bypassluftstrom
F: Anpresskraft
O: Oberfläche
x, y, z: Abmessungen

Claims

Sensor (100) für eine Gasturbine (10), mit - einem Sensorelement (101), umfassend oder bestehend aus einer polymerabgeleiteten Keramik, und - einer Vorspanneinrichtung (103), die dazu ausgebildet ist, das Sensorelement (101) gegen eine Oberfläche (O) vorzuspannen.
Sensor (100) nach Anspruch 1, wobei der Sensor (100) als Körperschallsensor ausgebildet ist.
Sensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die polymerabgeleitete Keramik SiOC/C ist.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (101) 6 bis 20 vol% Kohlenstoff, insbesondere 11 bis 17 vol% umfasst.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Elektroden (102A, 102B) am Sensorelement (101) vorgesehen sind, die entlang einer Achse (z) voneinander beabstandet sind.
Sensor (100) nach Anspruch 5, wobei die Achse (z), entlang der die Elektroden (102A, 102B) am Sensorelement (101) voneinander beabstandet sind, senkrecht zur Kraft (F) der Vorspannung ausgerichtet ist, wenn das Sensorelement (101) mittels der Vorspanneinrichtung (103) gegen die Oberfläche (O) vorgespannt ist.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorspanneinrichtung (103) ein Federelement (109) mit U-förmigen Federabschnitten (106) und einem Anlageabschnitt (105) zur Anlage am Sensorelement (101) aufweist, wobei der Anlageabschnitt (105) zwischen den Federabschnitten (106) angeordnet ist.
Sensor (100) nach Anspruch 7, wobei das Federelement (109) ferner Montageabschnitte (104) aufweist, zwischen denen die Federabschnitte (106) angeordnet sind, wobei die Federabschnitte (106) so ausgebildet sind, dass sie den Anlageabschnitt (105) mit einer Kraft (F) von 200 bis 400 N, insbesondere 300 N, gegen die Oberfläche (O) pressen, wenn die Montageabschnitte (104) an der Oberfläche (O) montiert sind.
Anordnung mit einem Bauteil (24; 38; 42) für eine Gasturbine (10) und zumindest einem Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (24; 38; 42) eine Oberfläche (O) aufweist und das Sensorelement (101) mittels der Vorspanneinrichtung (103) gegen die Oberfläche (O) vorgespannt ist.
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, umfassend: - ein Kerntriebwerk (11), das eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle (26) umfasst; - einen Fan (23), der stromaufwärts des Kerntriebwerks (11) positioniert ist, wobei der Fan (23) mehrere Fanschaufeln umfasst; - ein Getriebe (30), das von der Kernwelle (26) antreibbar ist, wobei der Fan (23) mittels des Getriebes (30) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) antreibbar ist, und - zumindest einen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eine Anordnung nach Anspruch 9.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 10, wobei: - die Turbine eine erste Turbine (19) ist, der Verdichter ein erster Verdichter (14) ist und die Kernwelle eine erste Kernwelle (26) ist; - das Kerntriebwerk (11) ferner eine zweite Turbine (17), einen zweiten Verdichter (15) und eine zweite Kernwelle (27), die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; und - die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle dahingehend angeordnet sind, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors für eine Gasturbine (10), insbesondere eines Sensors (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen (S1) eines Sensorelements (101), umfassend oder bestehend aus einer polymerabgeleiteten Keramik, und - Bereitstellen (S1) einer Vorspanneinrichtung (103), die dazu ausgebildet ist, das Sensorelement (101) gegen eine Oberfläche (O) vorzuspannen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen (S1) des Sensorelements (101) das Herstellen des Sensorelements (101) bei einer Synthesetemperatur von über 1500 °C umfasst, insbesondere bei 1600 °C +/- 100 °C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, ferner umfassend folgende Schritte: - Bearbeiten (S3) von Kontaktflächen des Sensorelements durch Sputtern und - Anbringen (S4) von Elektroden (102A, 102B) an den bearbeiten Kontaktflächen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner umfassend folgenden Schritt: - Vorspannen (S5) des Sensorelements (101) gegen die Oberfläche (O) mittels der Vorspanneinrichtung (103).