DE102019207995A1

DE102019207995A1 - Überwachungsvorrichtung und -verfahren für ein Gleitlager und ein Gasturbinentriebwerk mit einer Überwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019207995A1
Application number: DE102019207995.4A
Authority: DE
Inventors: Peter HACKENBERG
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für ein Gleitlager (50), gekennzeichnet durch mindestens ein thermoelektrisches Element (60) zur Erfassung mindestens einer Temperatur, wobei ein heißes Teil (52) des mindestens einen thermoelektrischen Elementes (60) am und / oder im Gleitlager (50) und ein kaltes Teil (61) des mindestens einen thermoelektrischen Elementes (60) außerhalb des Gleitlagers (50) angeordnet ist und mit dem mindestens einen thermoelektrischen Element (60) eine elektrische Spannung (U) in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur erzeugbar ist, wobei das mindestens eine thermoelektrische Element (60) mit einer Spulenvorrichtung (70) elektrisch gekoppelt ist, so dass die elektrische Spannung (U) mit der Spulenvorrichtung (70) zur Erzeugung eines magnetischen Felds (M) wechselwirkt und ein Magnetfeldsensor (80) das magnetische Feld (M) detektiert, so dass ein temperaturabhängiges Signal (T) vom Gleitlager (50) berührungslos erfassbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Überwachungsverfahren und ein Gasturbinentriebwerk (10) mit mindestens einer Überwachungsvorrichtung.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Überwachungsvorrichtung für ein Gleitlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Überwachungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Gleitlager werden insbesondere in Gasturbinentriebwerken von Flugzeugen in vielfältiger Weise verwendet. Dabei ist die Überwachung des Betriebszustands von großem Interesse, da z.B. eine versagende Schmierung in einem Gleitlager zu stark erhöhten Temperaturen und letztlich zu einem Versagen der Lagerung führen kann. Eine typische Ursache für erhöhte Temperaturen sind Mischreibungsereignisse im Gleitlager, z.B. eine bereichsweise und / oder zeitweise Verschlechterung des Schm ierverhaltens.
In Getriebefantriebwerken werden Getriebe eingesetzt, die eine sehr hohe Leistungsdichte aufweisen, so dass die thermischen Anforderungen an die Gleitlager besonders hoch sind, wobei auf Grund der Bauweise der Getriebe eine Überwachung der Bauelemente im Inneren des Getriebes schwierig ist.
Grundsätzlich können thermoelektrische Elemente zur Überwachung von bewegten Maschinenteilen verwendet werden. Die Funktionsweise beruht darauf, dass ein Temperaturgradient entlang eines Leiters einen Spannungsgradient auf selbigem nach sich zieht. Der Seebeck-Koeffizient ist die „Proportionalitätskonstante“ dazwischen.
Werden nun zwei Leiter (mit unterschiedlichem Seebeck-Koeffizient) zwischen zwei Temperaturendpunkten verlegt, so entsteht jeweils eine unterschiedliche Spannung auf den Leitern. Werden diese nun an den Enden elektrisch verbunden (sogenannte hot und cold junction), so treibt der Spannungsunterschied einen Strom. Trennt man den Stromkreis an einer beliebigen Stelle auf und schaltet ein Voltmeter dazwischen, dann kann man die Thermospannung messen. Die Thermospannung wird dabei entlang der Leiter (durch den Temperaturgradient) generiert und nicht in den Verbindungspunkten.
Somit werden zwei Teile (das sogenannte Thermopaar) aus unterschiedlichen, elektrisch leitenden Materialien jeweils unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt. Ein Teil wird z.B. am Maschinenteil angeordnet, an dem eine Temperatur besteht, das andere Teil wird an einer kühleren Stelle angeordnet, so dass sich für das thermoelektrische Element eine Paarung aus einem heißen Teil und einem kalten Teil ergibt. Aufgrund des Seebeck-Effektes wird dabei eine elektrische Spannung erzeugt, die von dem Temperaturunterschied abhängt. Solche Vorrichtungen sind z.B. aus der EP 1 056 994 B1 und der DE 43 07 916 U1 bekannt.
Es besteht die Aufgabe, Überwachungsvorrichtungen und -verfahren zu entwickeln, die insbesondere eine robuste Überwachung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird z.B. durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei wird in der Überwachungsvorrichtung für ein Gleitlager mindestens ein thermoelektrisches Element zur Erfassung mindestens einer Temperatur verwendet, wobei ein heißes Teil des mindestens einen thermoelektrischen Elementes am und / oder im Gleitlager und ein kaltes Teil des mindestens einen thermoelektrischen Elementes außerhalb des Gleitlagers angeordnet ist. Am heißen Teil des thermoelektrischen Elementes sind die beiden elektrisch leitenden unterschiedlichen Materialien miteinander verbunden. Dieses heiße Teil kann z.B. auf der Oberfläche des Gleitlagers oder im Inneren des Gleitlagermaterials angeordnet sein.
Auf Grund des oben erwähnten Seebeck-Effektes ist mit dem mindestens einen thermoelektrischen Element eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von der am und / oder im Gleitlager erfassten Temperatur erzeugbar, insbesondere, ohne dass bewegliche Teile vorliegen.
Das mindestens eine thermoelektrische Element ist elektrisch mit einer Spulenvorrichtung gekoppelt, so dass die elektrische Spannung mit der Spulenvorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Felds wechselwirkt.
Das so erzeugte magnetische Feld ist dann von einem Magnetfeldsensor detektierbar, so dass ein temperaturabhängiges Signal vom Gleitlager berührungslos erfassbar ist.
Dabei wird der funktionelle Zusammenhang zwischen Temperatur im und / oder am Gleitlager, der erzeugten Spannung und dem erzeugten Magnetfeld dazu verwendet, berührungslos Informationen über den thermischen Zustand des Gleitlagers zu erhalten. Die Überwachung eines Gleitlagers mittels eines temperaturbasierten Signals in einem Getriebe - wie eingangs beschrieben - ist besonders wichtig, wobei die Überwachungsvorrichtung aber grundsätzlich für alle Gleitlager anwendbar ist. Die Temperatur am und / oder im Gleitlager ist dabei ein Anhaltspunkt für den Betriebszustand des Gleitlagers.
In einer Ausführungsform weist der Magnetfeldsensor eine Induktionsspule, ein Fluxgate-Magnetometer oder einen Hall-Sensor auf, mit dem eine Messgröße des temperaturabhängigen Magnetfeldes effizient zu erfassen ist.
Der Abstand zwischen der Spulenvorrichtung und dem Magnetfeldsensor darf nicht zu klein sein. In einer Ausführungsform beträgt der räumliche Abstand zwischen der Spulenvorrichtung und dem Magnetfeldsensor zwischen 0.1 und 20 mm, insbesondere 5 mm bis 17 mm, .
Wenn in einer Ausführungsform mindestens zwei thermoelektrische Elemente an unterschiedlichen Orten im und / oder am Gleitlagers angeordnet sind, kann eine Mittelung der Temperaturerfassung vorgenommen werden. Dies bedeutet, dass lokale Temperaturunterschiede am Gleitlager keine so große Rolle spielen.
Auch können mindestens zwei thermoelektrischen Elemente (Thermopaare) in Serie geschaltet sein, d.h. es gibt dann mehrere „cold junctions“. Wenn ein Teil des Getriebes, z.B. der Lagerbolzen, als Rückleiter, verwendet werden soll, würde dies nur für eines der Thermopaar möglich sein. Der Vorteil bei einer solchen Ausführungsform ist aber eine vervielfachte Thermospannung, die dann einen höheren Strom treiben kann. Es kann daher auch sinnvoll sein, die beiden Thermopaare auch fast am gleichen Ort anzuordnen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor mit einem Steuerungssystem eines Gasturbinentriebwerks gekoppelt, wobei mit dem Steuerungssystem in Abhängigkeit von Daten des erfassten magnetischen Feldes ein Steuersignal zur Steuerung des Gasturbinentriebwerks abgebbar ist. Dabei kann das Steuersignal z.B. zu einer Abschaltung des Gasturbinentriebwerks führen und / oder zu einer Entkopplung beweglicher Teile im Gasturbinentriebwerk. Das Versagen eines Gleitlagers kann erhebliche Folgen für den Betrieb haben, so dass die schnelle und robuste Ermittlung des thermischen Zustandes im und / oder am Gleitlager von Interesse ist.
In einer Ausführungsform ist das Gleitlager in einem Getriebe eines Getriebefan-Gasturbinenlaufwerks angeordnet, insbesondere in der Lagerung eines Planetenrades. Auf Grund der Bauweise der Getriebe und der Betriebsbedingungen in Flugzeugen ist hier eine robuste und berührungslose Überwachung von besonderer Bedeutung. Dabei kann in einer Ausführungsform die Spulenvorrichtung an einem Planetenträger des Getriebes angeordnet sein.
Es ist auch möglich, dass ein elektrisch leitfähiges Teil des Getriebes, insbesondere ein Lagerbolzen für ein Planetenrad und / oder der Planetenträger Teil des thermoelektrischen Elementes ist. Damit können die konstruktiven Gegebenheiten der Lagerung selbst ausgenutzt werden.
Wenn mindestens ein Permanentmagnet zur Erzeugung eines Referenzfeldes für den Magnetfeldsensor im Bereich des Umfangs des Gleitlagers angeordnet ist, kann die Auswertung des vom Magnetfeldsensor detektierten Magnetfeldes verbessert werden.
Die Aufgabe wird auch durch ein Überwachungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Dabei wird mindestens eine Temperatur im Gleitlager mit mindestens einem thermoelektrisches Element erfasst, wobei ein heißes Teil des mindestens einen thermoelektrischen Elementes am und / oder im Gleitlager und ein kaltes Teil des mindestens einen thermoelektrischen Elementes außerhalb des Gleitlagers angeordnet ist und mit dem mindestens einen thermoelektrischen Element eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur erzeugt wird.
Das mindestens eine thermoelektrische Element ist mit einer Spulenvorrichtung elektrisch gekoppelt, so dass die elektrische Spannung mit der Spulenvorrichtung ein magnetisches Feld erzeugt, das mittelbar von der am und / oder im Gleitlager erfassten Temperatur abhängt.
Das magnetische Feld wird dann mit einem Magnetfeldsensor detektiert, so dass ein temperaturabhängiges Signal vom Gleitlager berührungslos erfassbar ist.
Dabei kann der Magnetfeldsensor mit einem Steuerungssystem eines Gasturbinentriebwerks gekoppelt sein, wobei mit dem Steuerungssystem in Abhängigkeit von Daten des erfassten magnetischen Feldes ein Steuersignal zur Steuerung des Gasturbinentriebwerks abgebbar ist. Damit kann letztlich der thermische Zustand des Gleitlagers in die Steuerung des Gasturbinentriebwerks einfließen. So kann z.B. das Steuersignal zu einer Abschaltung des Gasturbinentriebwerks führen und / oder zu einer Entkopplung beweglicher Teile im Gastu rb i nentriebwerk.
Die Aufgabe wird durch ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
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 zweien 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 zweien 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 zweien 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 zweien 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 zweien 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 zweien 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 zweien 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 zweien 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 Gasturbinentriebwerk;
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Überwachungsvorrichtung eines Gleitlagers.

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 epizyklischen 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. Bei einigen Anordnungen umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 möglicherweise kein Getriebe 30.
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.
Im Folgenden werden Ausführungsformen einer Überwachungsvorrichtung und eines Überwachungsverfahrens für ein Gleitlager 50 im Zusammenhang mit dem Getriebe 30 eines Getriebefan-Gasturbinentriebwerks 10 (siehe 1 bis 3) dargestellt.
Die Bedingungen für Überwachungen im Inneren des Getriebes 30 sind dabei schwierig, da dort hohe Temperaturen (z.B. oberhalb von 150 °C) herrschen. Auch unterliegt das Getriebe 30 starken Vibrationen. Des Weiteren muss das Getriebe 30 viele tausend Stunden zwischen Wartungsintervallen arbeiten können.
Die Ausführungsform, die in 4 schematisch dargestellt ist, erlaubt eine robuste und berührungslose Überwachung eines Gleitlagers 50, das ein Planetenrad 32 (hier nur teilweise dargestellt) drehbar lagert. Das Gleitlager 50 ist dabei mit einem Lagerbolzen 51 des Planetenrades 32 fest verbunden.
Wie in 3 dargestellt, kann das Planetenrad 32 in der dargestellten Ausführungsform in dem Hohlrad 38 des Getriebes 30 umlaufen. Der Lagerbolzen 51 ist fest mit dem Planetenträger 34 des Getriebes 30 verbunden.
Dabei wird ein thermoelektrisches Element 60 zur Erfassung einer Temperatur im und / oder am Gleitlager 50 mit jeweils einem kalten Teil 61 und einem heißen Teil 62 verwendet. In der Situation der Lagerung des Planetenrades 32 wird der Zugang für den heißen Teil 62 in der Regel im axialen Ende des Gleitlagers 50, d.h. am Lagerbolzen des Planetenrades 32 angeordnet Dieser ist an seinem axialen Ende zugänglich. Der Sensor wird die Temperatur des Lagerbolzen nahe der Oberfläche zum Lagerspalt messen. Hier herrschen typischerweise im Betrieb Temperaturen von über 150 °C.
Die Messung der Temperatur kann dabei z.B. am Lagerbolzen 51 und / oder am ölgefüllten Lagerspalt zwischen Gleitlager 50 und dem Planetenrad 32 erfolgen.
Das kalte Teil 61 ist außerhalb des Gleitlagers 50 angeordnet, wo typischerweise Temperaturen von ca. 120° C herrschen.
Die Temperaturdifferenz von mehr als 150 °C erzeugt im thermoelektrischen Element 60 eine Spannung U. Da die Temperatur am kalten Teil 61 des thermoelektrischen Elementes 60 im Wesentlichen konstant ist, wird die Spannung U steigen, wenn die Temperatur im und / oder am Gleitlager 50 steigt. Dies ist z.B. der Fall, wenn ein relevantes Mischreibungsereignis eintritt, das auf ein bevorstehendes Versagen des Gleitlagers 50 hinweist.
Das thermoelektrische Element 60 kann somit eine Spannung U generieren, die von der Temperatur im und / oder am Gleitlager 50 abhängt.
In der dargestellten Ausführungsform kommt es eher auf eine hohe Thermospannung als auf hohe Wiederholgenauigkeit an. Ein thermoelektrisches Element 50 vom Typ-K (Alumel-Chromel) ist hier einsetzbar. Aber auch nicht-standardisierte Materialkombinationen sind möglich.
Auch ist es sinnvoll, dass der Gesamtstromkreis möglichst niederohmig ausgebildet ist, damit (bei gegebener Thermospannung) ein möglichst hoher Strom fließen kann. Die Kombination Kupfer-Nickel oder Kupfer-Konstantan erscheint daher vorteilhaft (wobei die Spule aus Kupfer hergestellt wird). Auch können Eisen-Konstantan oder Nichrome-Kontantan Kombinationen verwendet werden, wobei dann jedoch der Stromkreis aus drei Materialien bestehen würde (Kupfer für die Spule).
Die Kombination Konstantan-Eisen (bzw. Stahl, da dieser ja schon mit großem Querschnitt verbaut ist) ist auch möglich, wobei der Lagerbolzen 51 und der Planetenradträger 34 als Rückleiter eingesetzt werden. Damit wäre Konstantan-Stahl als Thermopaar mit einer Kupferspule eine Ausführungsform.
In der dargestellten Ausführungsform erzeugt die elektrische Spannung U ein magnetisches Feld M in einer Spulenvorrichtung 70, die mit dem thermoelektrischen Element 60 gekoppelt ist. Die Spulenvorrichtung 70 kann dabei z.B. am äußeren Rand des Planetenträgers 34 angeordnet sein, wobei in dieser Ausführungsform der Planetenträger 34 durch die Planetenräder 32 angetrieben wird.
Da die elektrische Spannung U von der Temperatur des Gleitlagers 50 abhängt, hängen auch die magnetischen Feldgrößen des magnetischen Feldes M von der Temperatur im Gleitlager 50 ab.
Das Magnetfeld M breitet sich aus und kann berührungslos von einem Magnetfeldsensor 80 detektiert werden. Der Magnetfeldsensor 80 ist dabei an einem nicht rotierenden Bauteil angeordnet. Als Magnetfeldsensor 80 kann z.B. eine Induktionsspule, ein Fluxgate-Magnetometer oder einen Hall-Sensor verwendet werden. In der dargestellten Ausführungsform sorgt der rotierende Planetenträger 34 für die Änderung des Magnetfeldes zur Induktion eines Signals. Da das Magnetfeld M von der Temperatur im und / oder am Gleitlager 50 abhängt, kann durch den Magnetfeldsensor 80 ein temperaturabhängiges Signal T des Gleitlagers 50 berührungslos generiert werden.
Der räumliche Abstand zwischen der Spulenvorrichtung 70 und dem Magnetfeldsensor 80 muss relativ klein sein. Typischerweise liegt er zwischen 0.1 und 20 mm. Im Idealfall wäre der Abstand gleich Null. Der notwendige Minimalabstand ergibt sich aus den geometrischen Gegebenheiten: Rundlauf, Verschiebungen durch elastische Verformung (z.B. Fanlasten, Unwuchten, Kreiselkräfte) und durch thermische Längenänderungen. Der Magnetfeldsensor 80 soll nicht an der Spule mechanisch anstreifen. Man wird daher bestrebt sein, die Spule-Sensor Kombination sehr nahe bei einem Gleitlager 50 anzuordnen, damit das Gleitlager 50 die möglichen Abstandänderungen begrenzt. Der Maximalabstand ergibt sich aus der mit dem Abstand zunehmenden Magnetfeldfeldschwächung.
Das temperaturabhängige Signal T kann z.B. an eine Steuerungsvorrichtung 90 übertragen werden, die in Abhängigkeit davon ein Steuerungssignal S für das Gasturbinentriebwerk 10 erzeugt. So kann z.B. bei einem drohenden oder bereits eingetretenen Versagen des Gleitlagers 50 das Gasturbinentriebwerk 10 abgeschaltet werden oder zumindest eine Antriebswelle des Getriebes 30 ausgekuppelt werden.
Grundsätzlich sind ein einem Getriebe 30 mehrere Gleitlager 50 vorhanden. Dabei kann jedes mit einem thermoelektrischen Element 60 und einer Spule ausgestattet sein. Die am Umfang des Planetenträgers 32 (oder einer geeigneten anderen Stelle des Fan-Schafts) angeordneten Spulen kommen nacheinander am Sensor vorbei und können dann sequentiell ausgelesen werden. Gegebenenfalls kann noch ein Permanentmagnet dazu verwendet werden, um die abstandsabhängige Magnetfeldstärke zu kalibrieren. Ferner können zwei oder mehrere Magnetfeldsensoren am Umfang angeordnet werden, falls eine entsprechende Redundanz erforderlich ist. Das gleiche gilt natürlich auch für die thermoelektrische Elemente 60 und Spulen auf dem Planetenträger 34, wobei die Anordnung von zwei oder mehrereen pro Gleitlager 50 möglich sind.
Für diese Art der Überwachung ist es primär nicht erforderlich, eine Temperatur im Gleitlager genau zu messen, sondern es kommt darauf an, einen abnormalen Temperaturanstieg robust zu erfassen.
Die hier dargestellte Ausführungsformen weisen keine beweglichen mechanischen Teile und keine komplexen elektronischen Teile auf, so dass eine robuste Erfassung der Temperatur möglich ist.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 4 nur ein thermoelektrisches Element 60 zur Überwachung dargestellt. Es ist aber auch möglich, mehr als ein thermoelektrisches Element 60 zu verwenden. Wenn die heißen Teile 62 der thermoelektrischen Elemente 60 an unterschiedlichen Orten an und / oder im Gleitlager 50 angeordnet sind, werden unterschiedliche Temperaturen erfasst, so dass z.B. ein Mittelwert der Betriebstemperatur des Gleitlagers 50 in die Überwachung eingehen kann.
Hinsichtlich des Einbaus der Spulenvorrichtung 70 werden im Folgenden zwei Alternativen beschreiben.
Eine Spulenvorrichtung 70 kann einen rechteckigem Kern aufweisen (z.B. 2 mm x 20 mm), wobei die Spulenvorrichtung 70 radial nach außen zeigt und die lange Seite des Kerns parallel zur Achse der Gasturbinenvorrichtung 10 ausgerichtet ist. Ein punktförmige Magnetfeldsensor 80 ist somit immer auf den Kern ausgerichtet.
In einer anderen Alternative kann die Spulenvorrichtung bis zum nächsten Festlager in der Gasturbinenvorrichtung 10 verlagert werden. Auf Grund des Widerstands der elektrischen Leitungen wären u.U. große Leiterquerschnitte erforderlich.
Auch ist es möglich, zusätzlich, an anderer Umfangsposition einen Permanentmagnet anzubringen, der ein der Spulenvorrichtung 70 ähnliches Feld emittiert. Ähnlich bedeutet hier, dass die räumliche Feldverteilung möglichst gleich ist. Aufgrund des Permanentmagnets ist das magnetische Feld - im Gegensatz zum Magnetfeld der Spulenvorrichtung 70 - zeitlich konstant. Somit sieht der Magnetfeldsensor ein „Referenzfeld“ bekannter Stärke und der Abstandseinfluss kann in einer nachfolgenden Auswertelogik herausgerechnet werden.
Die hier beschriebene Ausführungsform wurde im Zusammenhang mit einem Umlaufgetriebe beschrieben, bei dem der Planetenträger 34 ein rotierendes Element darstellt. Alternativ ist es möglich, dass eine Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung oder des Überwachungsverfahrens für ein Umlaufgetriebe in einer Sternkonfiguration verwendet wird, bei dem das Hohlrad 38 rotierend und der Planetenträger 34 stationär ausgebildet ist.
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
50: Gleitlager
51: Lagerbolzen (Pin)
60: thermoelektrisches Element
61: kaltesTeil des thermoelektrischen Elements
62: heißes Teil des thermoelektrischen Elements
70: Spulenvorrichtung
80: Magnetfeldsensor
90: Steuervorrichtung
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
M: magnetisches Feld
S: Steuersignal
T: temperaturabhängiges Signal vom Gleitlager ausgehend
U: Spannung erzeugt durch thermoelektrisches Element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1056994 B1 [0006]
DE 4307916 U1 [0006]

Claims

Überwachungsvorrichtung für ein Gleitlager (50), gekennzeichnet durch mindestens ein thermoelektrisches Element (60) zur Erfassung mindestens einer Temperatur, wobei ein heißes Teil (52) des mindestens einen thermoelektrischen Elementes (60) am und / oder im Gleitlager (50) und ein kaltes Teil (61) des mindestens einen thermoelektrischen Elementes (60) außerhalb des Gleitlagers (50) angeordnet ist und mit dem mindestens einen thermoelektrischen Element (60) eine elektrische Spannung (U) in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur erzeugbar ist, wobei das mindestens eine thermoelektrische Element (60) mit einer Spulenvorrichtung (70) elektrisch gekoppelt ist, so dass die elektrische Spannung (U) mit der Spulenvorrichtung (70) zur Erzeugung eines magnetischen Felds (M) wechselwirkt und ein Magnetfeldsensor (80) das magnetische Feld (M) detektiert, so dass ein temperaturabhängiges Signal (T) vom Gleitlager (50) berührungslos erfassbar ist.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (80) eine Induktionsspule, ein Fluxgate-Magnetometer oder einen Hall-Sensor aufweist.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der räumliche Abstand zwischen der Spulenvorrichtung (70) und dem Magnetfeldsensor (80) zwischen 0.1 und 20 mm, insbesondere 5 bis 17 mm beträgt.
Überwachungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei thermoelektrische Elemente (60) an unterschiedlichen Orten am und / oder im Gleitlagers (50) angeordnet sind.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei thermoelektrische Elemente (50) in Serie geschaltet sind.
Überwachungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (80) mit einem Steuerungssystem (90) eines Gasturbinentriebwerks (10) gekoppelt ist, wobei mit dem Steuerungssystem (90) in Abhängigkeit von Daten des erfassten magnetischen Feldes (M) ein Steuersignal (S) zur Steuerung des Gasturbinentriebwerks (10) abgebbar ist.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (S) zur einer Abschaltung des Gasturbinentriebwerks (10) führt und / oder zu einer Entkopplung beweglicher Teile im Gasturbinentriebwerk (10).
Überwachungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (50) in einem Getriebe (30) eines Getriebefan-Gasturbinenlaufwerks (30) angeordnet ist.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (50) in der Lagerung eines Planetenrades (32) angeordnet ist.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenvorrichtung (70) an einem Planetenträger (34) des Getriebes (30) angeordnet ist.
Überwachungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiges Teil des Getriebes (30), insbesondere ein Lagerbolzen (51) für ein Planetenrad (32) und / oder der Planetenträger (34) Teil des thermoelektrischen Elementes (50) ist.
Überwachungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Permanentmagnet zur Erzeugung eines Referenzfeldes für den Magnetfeldsensor (80) im Bereich des Umfangs des Gleitlagers (50) angeordnet ist.
Überwachungsverfahren für ein Gleitlager (50), dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens eine Temperatur im Gleitlager mit mindestens einem thermoelektrisches Element (60) erfasst wird, wobei ein heißes Teil (52) des mindestens einen thermoelektrischen Elementes (60) am und / oder im Gleitlager (50) und ein kaltes Teil (61) des mindestens einen thermoelektrischen Elementes (60) außerhalb des Gleitlagers (50) angeordnet ist und mit dem mindestens einen thermoelektrischen Element (60) eine elektrische Spannung (U) in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur erzeugt wird, wobei b) dass mindestens eine thermoelektrische Element (60) mit einer Spulenvorrichtung (70) elektrisch gekoppelt ist, so dass die elektrische Spannung (U) mit der Spulenvorrichtung (70) ein magnetisches Feld (M) erzeugt und c) das magnetische Feld (M) mit einem Magnetfeldsensor (80) detektiert wird, so dass ein temperaturabhängiges Signal (T) vom Gleitlager (50) berührungslos erfassbar ist.
Überwachungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (80) mit einem Steuerungssystem (90) eines Gasturbinentriebwerks (10) gekoppelt ist, wobei mit dem Steuerungssystem (90) in Abhängigkeit von Daten des erfassten magnetischen Feldes (M) ein Steuersignal (S) zur Steuerung des Gasturbinentriebwerks (10) abgebbar ist.
Überwachungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (S) zur einer Abschaltung des Gasturbinentriebwerks (10) führt und / oder zu einer Entkopplung beweglicher Teile im Gasturbinentriebwerk (10).
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, das Folgendes umfasst: 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; und 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, wobei mindestens ein Teil des Getriebes (30) ein Gleitlager (50) aufweist, und dass eine Überwachungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.