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Einrichtung zur Messung einer der Drehbewegung eines um eine Achse
rotierenden Körpers überlagerten Schwingbewegung Es ist bekannt, daß sich bei umlaufenden
Maschinen der Drehbewegung Schwingbewegungen überlagern können, die insbesondere
in Axialrichtung verlaufen. Kritisch werden derartige Schwingbewegungen z. B. bei
Turbinen- oder Axialverdichtem, wenn deren Schaufeln zu große Schwingungen in Axialrichtung
ausführen, da diese zu Ermüdungserscheinungen und schließlich zum Bruch der Schaufeln
führen können. Es ist daher notwendig, Einrichtungen zur Messung derartiger, der
Drehbewegung eines um eine Achse rotierenden Körpers überlagerten Schwingbewegungen
vorzusehen.
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Durch die deutsche Auslegeschrift 1 111 840 ist eine Einrichtung
zur Schaufelschwingungsmessung an Turbomaschinen bekanntgeworden, bei der gegenüber
den Schaufelenden eines Laufschaufelkranzes auf dem Umfang am Turbomaschinengehäuse
ein elektrischer Leiter fest angeordnet ist, der abwechselnd quer zur möglichen
Schwingungsrichtung der Laufschaufeln dieses Kranzes in einer Richtung und nach
Umbiegung in der entgegengesetzten Richtung geführt ist. Ein Schaufelende einer
Laufschaufel dieses Kranzes ist magnetisch. An den beiden Leiterenden ist die im
Leiter auftretende Wechselspannung abnehmbar. Die Größe der Amplituden der Wechselspannung
an den Leiterenden ist abhängig von der Geschwindigkeit des Schaufelendes in Umfangsrichtung.
Diese Geschwindigkeit setzt sich aus der Umfangsgeschwindigkeit und der Schwingungsgeschwindigkeit
des Laufschaufelendes zusammen.
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Im Schwingungsfall, in dem das Schaufelende in Umfangsrichtung schwingt,
sind die Größen der genannten Amplituden, aber auch die axialen Spannungsspitzenabstände
im Zeit-Amplituden-Diagramm verändert gegenüber dem Fall der nicht schwingenden
Schaufel: Das ursprüngliche Diagramm mit sinusartigem Schwingungsverlauf ist amplituden-und
frequenzmoduliert. Der Verlauf der abgenommenen Wechselspannungen während der Umdrehungen
ist also ein Maß dafür, ob die Schaufeln Resonanzschwingungen durchführen.
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Bei dieser bekannten Meßeinrichtung ist nicht der eingangs erwähnten
Tatsache Rechnung getragen, daß die der Drehbewegung der Maschine überlagerten Schwingbewegungen
insbesondere in Axialrichtung auftreten. Bei der Entgegenhaltung verlaufen nämlich
alle Leiter - abgesehen von ihren Verbindungsstücken - parallel zur Rotationsachse
des rotierenden Körpers. Bei einer derartigen Anordnung ist es aber nicht möglich,
Schwingungen in Axialrichtung zu erfassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Meßeinrichtung zu schaffen,
bei der die Nachteile der bekannten Meßeinrichtung vermieden sind; mit deren Hilfe
es also möglich ist, einmal die Schwingungen in Axialrichtung der Maschine, das
sind die hauptsächlich auftretenden Schwingungen, zu erfassen, zum anderen aber
auch Schwingungen, die in der Rotationsebene der Schaufelspitze liegen. Bei einer
Einrichtung zur Messung einer der Drehbewegung eines um eine Achse rotierenden Körpers
überlagerten Schwingbewegung, bei der ein Magnet oder eine elektrostatische Elektrode
auf einem schwingenden Teil des rotierenden Körpers vorgesehen ist, während auf
einem stillstehenden Teil ein Leiter aus in regelmäßigem Abstand angeordneten und
miteinander verbundenen Querstegen vorgesehen ist, an denen der Magnet oder die
Elektrode nacheinander vorbeiläuft, so daß ein elektrisches Signal an dem Leiter
abnehmbar ist, dessen Grundfrequenz durch die Drehbewegung des gesamten Körpers
bestimmt ist und dessen Frequenzveränderung von der überlagerten Schwingbewegung
des schwingenden Teiles abhängig ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die Querstege gegenüber der Rotationsachse des rotierenden Körpers geneigt
sind. Bei der Erfindung ist also berücksichtigt, daß die Hauptbewegungskomponenten
der Rotorschwingungen in
axialer Richtung verlaufen, da die geneigten
Querstege es ermöglichen, Veränderungen in der Impulsfrequenz bei Schwingungen mit
einer Axialkomponente wahrzunehmen.
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Die Neigung der Querstege gegenüber der Rotationsachse ist grundsätzlich
beliebig, sie wird sich nach konstruktiven Gegebenheiten sowie danach richten, in
welcher Richtung außer in Axialrichtung noch Schwingungen erwartet werden.
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Wenn der rotierende Körper eine gegenüber der Rotationsachse geneigte
Turbinen- oder Kompressorschaufel ist, ist die Neigung der Querstege in Größe und
Richtung vorzugsweise gleich der Neigung des Schaufelfußes. Durch diese Maßnahme
wird das elektrische Signal, welches durch die Schwingungen der Schaufel erzeugt
wird, einschließlich der Axialkomponente verstärkt.
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Eine weitere vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet
durch einen zweiten von dem ersten isolierten Leiter, dessen Querstege gegenüber
der Rotationsachse entgegengesetzt zu der Neigung der Querstege des ersten Leiters
geneigt sind.
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Durch diese Maßnahme wird die Empfindlichkeit gegenüber Schwingungen
mit hauptsächlich axial verlaufenden Bewegungskomponenten erhöht.
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Für den Fall, daß ein Magnet auf dem schwingenden Teil des rotierenden
Körpers vorgesehen ist, wird in den Querstegen durch den von dem Magneten ausgehenden
Fluß eine elektromotorische Kraft erzeugt, die die Grundlage der Messung bildet.
Wenn eine Elektrode zur Verwendung kommt, wird infolge der sich ändernden Kapazität
zwischen der Elektrode und den Querstegen beim Umlauf der Elektrode ein elektrisches
Signal erzeugt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht
eines Teiles eines Axialverdichters im Schnitt mit einem auf den Laufschaufeln angeordneten
und von einem ringförmigen Leiter umgebenen Magneten, F i g. 2 und 3 Teilansichten
von zwei mäanderartigen Zickzackleiterformen, Fig. 4 eine perspektivische Teildarstellung
einer elektrostatisch arbeitenden Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Zickzackleiter,
F i g. 5 und 6 an Stelle des in F i g. 4 dargestellten Leiters wahlweise zu verwendende
Leiter, Fig. 7 bis 9 elektrische Meßschaltungen für die Vorrichtungen nach den F
i g. 4 bis 6, Fig. 10 einen Teilschnitt eines Rollenlagers in Längsrichtung unter
Anwendung der Erfindung, Fig. 11 eine Ansicht der Fig. 10 von links.
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Der in F i g. 1 gezeigte Axialverdichter besteht aus einem Gehäuse
10, in welches Ringe von Leitradschaufeln 11 eingesetzt sind und das einen Läufer
12 einschließt, welcher mit Ringen von Laufschaufeln 13 versehen ist. Es ist erwünscht,
die Schwingung einer der Laufschaufeln zu messen, insbesondere die Verschiebungskomponente
an der Spitze in einer Ebene senkrecht zur Umlaufachse, und demzufolge wird in dem
in der betreffenden Schaufel gebildeten radialen Loch ein Dauermagnet 14 länglicher
zylindrischer Form angeordnet und z. B. durch Anschlagen oder Vergießen darin gehalten.
Wenn das Material der Laufschaufel stark magnetisch ist, dann kann der Magnet 14
durch eine Hülse von im wesentlichen nichtmagnetischem Material, wie Keramik, isoliert
werden,
um sicherzustellen, daß im Bereich des äußeren radialen Endes des Magneten eine
Zone von ausreichendem magnetischem Fluß vorhanden ist.
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Die Innenseite des Gehäuses 10 wird so bearbeitet, daß eine ringförmige
Nut 15 gebildet wird, welche die den Magneten 14 aufnehmende Schaufel umgibt. Da
das GehäuselO aus einem elektrisch leitenden Material besteht, wird eine ringförmige
Stützschicht aus isolierendem Material 16 zunächst in die Nut 15 eingebettet und
darin vergossen und danach ein ringförmiger Leiter 17 aus Metallfolie gegen diese
Isolierschicht 16 zur Anlage gebracht. Der Leiter 17 besteht aus einer Anzahl parallel
seitwärts verlaufender Querstege 18, welche an ihren Enden derart verbunden sind,
daß sie eine mäanderartige Form gemäß F i g. 2 bilden. Die Querstege 18 erstrecken
sich in dieser Ausführungsform im wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Achse
des Magneten 14 und sind daher von dem benachbarten Ende des Magneten um einen kleinen
Abstand entfernt gehalten, z.B.
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2,54mm, verlaufen also im wesentlichen senkrc auch zu den magnetischen
Kraftlinien.
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Der Leiter ist zwischen zwei benachbarten Querstegen 18 a, welche
durch radial durch die isolierten Kanäle in dem Gehäuse 10 hindurch zu dem elektrischen
Stromkreis außerhalb des Gehäuses6 führende Leitungen verbunden sind, unterbrochen.
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Infolgedessen wird beim Umlauf des Verdichters das magnetische Feld
des von der umlaufenden Schaufel 13 aufgenommenen Magneten 14 fortlab£emd durch
die gleichmäßig auf Abstand gehaltenen erstege 18 abgefangen und an den Querstegen
18 a eine Wechselstrom-EMK erzeugt. Da die Querstege 18 m der Bewegungsrichtung
gleichmäßig auf Abstand gehalten sind, führt eine gleichbleibende Drehzahl des Verdichters
zur Bildung einer EMK gleichbleibender Frequenz, welche der Drehzahl direkt proportional
ist. Wenn die den Magneten aufnehmende Schaufel eine Biegungsschwingung erfährt,
nämlich eine Schwingung, welche bei großen Umfangsverschiebongen des Schaufelendes
entsteht, dann nimmt die Frequenz der EMK periodisch zu oder ab, und es kann nach
der Demodulation eine Anzeige der durch die Schwingung hervorgerufenen Spannungen
erreicht werden.
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Um nach der Demodulation der EMK ein emdeutiges Ergebnis zu erreichen,
sollte der Magnet während wenigstens jeder Schwingungsperiode vier Leiter kreuzen.
In einem besonderen Bespiel weist der Leiter 720 Querstege 18 auf, welche einen
mit Schaufeln versehenen Rotor umgeben, der mit 6000 Umdrehungen pro Minute läuft,
um Schaufel schwingungen bis zu 10 kHz zu messen.
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Der Leiter 17 kann als ununterbrochene Met folie in das isolierende
Stützmaterial 16 eingegossen und danach bearbeitet und geätzt werden oder kann durch
eine Maske auf die Unterstützung aufgesprilht werden. Wahlweise kann eine Metallringfolie
mit eingestanzten, seitlich verlaufenden Schlitzen versehen werden, die unmittelbar
vor den Rändern des Ringes enden, wobei die Schlitze abwechselnd untereinander ausgerichtet
sind, und die Ränder des Ringes können durch maschinelle Bearbeitung entfernt werden,
so daß nach dem Vergießen des Ringes in dem Stützmantel nur ein zickzackförmiger
Leiter verbleibt.
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Die Querstege des Leiters können zur Umlaufachse des Rotors geneigt
sein. Die Neigung der Querstege zur Umlaufachse liegt vorzugsweise in derselben
Richtung
wie die Neigung des Querschnittes des Fußes der den Magneten aufnehmenden Schaufel,
um das elektrische Signal, welches durch die Schwingungen der Schaufeln erzeugt
wurde, einschließlich einer Axialkomponente zu verstärken.
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Wahlweise und vorzugsweise kann der Leiter eine abfallende mäanderartige
Zickzackform nach F i g. 3 haben. In diesem Fall sind die parallelen Stangen 32
des Leiters 31 um 450 zur Umlaufachse geneigt.
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Dieses geschieht aus dem Grund, da die Hauptbewegungskomponenten der
Scheibenschwingungen in axialer Richtung verlaufen und die geneigten Stangen die
effektive Wahrnehmung einer Veränderung in der Impulsfrequenz infolge solcher Scheibenschwingungen
gestatten.
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Um die Empfindlichkeit gegenüber Schwingungen mit hauptsächlich axial
verlaufenden Bewegungskomponenten zu erhöhen, kann die Vorrichtung einen zweiten
Leiter umfassen, der innerhalb eines Isolierkörpers gegenüber dem zuerst genannten
Leiter liegt, und dessen Querstege 32 zur Umlaufachse des Rotors in entgegengesetzter
Richtung mit Bezug auf diejenigen des erstgenannten Leiters geneigt sind. Der Neigungswinkel
zwischen den Querstegen der beiden Leiter kann 900 sein. Die beiden Leiter können
an getrennte Stromkreise angeschlossen und dieAusgänge verglichen werden, um die
Bestimmung der absoluten Schwingungsrichtung zu ermöglichen.
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Es ist zu beachten, daß bei der Prüfung eines beweglichen Körpers
auf Schwingung gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Magneten und eines Zickzackleiters
keine Schleifringe oder Schleifleitungen zur Herstellung einer elektrischen Verbindung
zwischen einem feststehenden Körper und einem beweglichen Körper erforderlich sind.
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F i g. 4 zeigt eine elektrostatische Elektrode 60, die in der Spitze
einer Schaufel 61 angeordnet ist. Die Elektrode bewegt sich auf einem Leiter 62
entlang, welcher eine mäanderartige Zickzackform aufweist und in einem Gehäuse 63
mit dazwischen angeordneter Isolierschicht 64 angeordnet ist. Der Leiter und das
Gehäuse sind in flach ausgeführter Form der Klarheit halber schematisch dargestellt.
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Die Elektrode 60 ist durch Isoliermaterial 65 von der Schaufelspitze
isoliert und mittels eines nicht gezeigten kapazitiven Schleifringes mit einem stationären
elektrischen Anschluß verbunden. Die Anschlußklemme ist in F i g. 7 durch einen
Punkt T dargestellt, und die Kapazität zwischen der Elektrode 60 und dem Leiter
62 ist mit Cv bezeichnet. Die Kapazität Cv bildet zusammen mit der Kapazität zwischen
dem Netz und dem Gehäuse 63 einen Spannungsteiler, und an diese beiden Kapazitäten
ist eine Quelle einer EMK V angelegt. Der Spannungsabfall an der Kapazität C wird
in derselben Weise behandelt wie die durch den Magneten in dem Leiter erzeugte und
in den Beispielen bereits beschriebene EMK. Mit anderen Worten wird das von der
Kapazität C abgenommene Signal demoduliert, um ein Maß für die Geschwindigkeit der
Elektrode 60 mit Bezug auf den übrigen Teil des Rotors infolge der Schwingung zu
erreichen.
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F i g. 5 und 6 zeigen wahlweise zu verwendende Leiter, die in Verbindung
mit der elektrostatischen Elektrode 60 benutzt werden können. Der in F i g. 6 gezeigte
Leiter wird durch zwei getrennte kammförmige Teile gebildet. Das Ausgangssignal
wird zwischen den beiden Teilen des Leiters gemäß der
Darstellung in F i g. 8 abgenommen,
in welcher die Bezugszeichen Cv1 und Cv2 die Kapazitäten zwischen der Elektrode
und den beiden Teilen des Leiters darstellen. Cf und C2 bezeichnen die Kapazitäten
zwischen den beiden Teilen des Leiters und des Gehäuses, und E.S. zeigt das zwischen
den beiden Teilen des Leiters abgenommene Signal.
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Bei Verwendung eines Zickzackleiters kann eine Elektrode gemeinsam
mit einem in einer anderen Schaufel angeordneten Magneten verwendet werden, so daß
sich dieser auf demselben Weg entlangbewegt wie die Elektrode. Die elektrische Schaltung
für diesen Fall ist in F i g. 9 gezeigt. Bei dieser Anordnung ist der Leiter an
einem Punkt unterbrochen, und die an dieser Unterbrechung des Leiters auftretende
EMK wird als ein SignalE.M. über einen Transformator 66 abgenommen. Der Leiter ist
durch die Zickzackleitung 66 a dargestellt. Ein von der Elektrode abgenommenes Signal
E.S. wird an dem Gehäuse 63 und einer zentralen Zapfstelle in der Primärwicklung
des Transformators abgenommen.
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Die Elektrode ist mit einem Anschluß T elektrisch verbunden.
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Es können mehrere Schaufeln mit Elektroden versehen werden, die sich
auf demselben Leiter entlangbewegen. In diesem Fall würde die an den Spannungsteiler
für jede Schaufel angeschlossene EMK eine hohe Frequenz aufweisen (um ein Vielfaches
höher als die durch die Bewegung der Elektrode an den sich seitwärts erstreckenden
Teilen des Leiters vorbei erzeugte Trägerfrequenz), wobei jede Schaufel eine Frequenz
von einer Höhe aufweist und eine andere kapazitive Schleifringverbindung mit einem
stationären Anschluß aufweist. Das Signal von jeder Schaufel kann dann demoduliert
werden, um ein Signal zu erhalten, das nur von der Frequenz abhängig ist, mit welcher
die Elektrode sich an den Querstegen des Leiters 62 vorbeibewegt, und eine weitere
Demodulation würde eine Anzeige hinsichtlich der Geschwindigkeit der Elektrode mit
Bezug auf den übrigen Teil des Rotors ergeben. Bei Anordnung nur einer Elektrode
auf einer Schaufel kann ebenso eine EMK mit hoher Frequenz verwendet werden.
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Fig. 10 und 11 zeigen eine Anordnung, durch welche die Drehzahl einer
Rolle in einem Rollenlager um die Achse des Lagers und um ihre eigene Achse bestimmt
werden kann. Dieses Rollenlager wird durch einen Innenring 67 und einen Außenring
68 sowie Rollen 69 gebildet. Eine dieser Rollen ist an einem Ende mit einem Magneten
70 versehen, welcher an einer Stelle von der Rollenachse entfernt angeordnet ist.
In einer Ebene senkrecht zur Lagerachse ist ein Leiter 71 in Zickzackform angeordnet,
dessen sich seitwärts erstreckende Teile radial liegen (der Leiter ist in Fig. 11
im Interesse der Klarheit mit teilweise weggebrochenen Teilen dargestellt). An einem
Punkt ist der Leiter unterbrochen, so daß an dieser Unterbrechung eine Wechselstrom-EMK
erzeugt wird.
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Diese EMK hat zwei Komponenten, von denen die eine eine Frequenz gleich
der Umlaufgeschwindigkeit der Rolle um die Lagerachse und die andere eine Frequenz
aufweist, die durch die Drehzahl der Rolle um ihre eigene Achse bestimmt wird. Diese
beiden Umlaufgeschwindigkeiten können auf Grund des in dem Leiter 71 vorhandenen
Spaltes berechnet werden, jedoch ist zur Vereinfachung dieser Berechnung die Rolle
mit einem zweiten Magneten 72 ausgestattet, welcher an dem von dem Magneten 70 entfemten
Ende
angeordnet ist und in der Achse der Rolle liegt. An dem Gehäuse des Lagers ist ein
zweiter Leiter (nicht gezeigt), der dem Leiter 71 ähnlich ist, in einer solchen
Stellung angeordnet, daß er dem Magneten 72 benachbart ist. Das von diesem zweiten
Leiter bezogene Signal bildet eine Anzeige der Umlaufgeschwindigkeit der Rolle um
die Achse des Lagers und kann zur Demodulierung des von dem Leiter 71 bezogenen
Signals verwendet werden, so daß die Resultierende nur von der Drehzahl der Rolle
um ihre eigene Achse abhängig ist.
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Bei einem Rollenlager mit einem Käfig kann die Umlaufgeschwindigkeit
des Käfigs durch Befestigung eines Magneten an dem Käfig bestimmt werden.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann bei Venvendung eines beweglichen
Körpers, der einen Magneten trägt, eine dünne Metallabdeckung aufweisen, die über
dem Leiter verklebt und von ihm isoliert ist, um eine Beschädigung des Leiters durch
Fremdkörper, z. B. Eispartikeln, zu verhindern. Diese Abdeckung kann beispielsweise
aus rostfreiem Stahl bestehen. Obwohl diese zwischen den Leitern und dem Magneten
liegt, hat die Abdeckung bei einer Dicke von etwa 0,254 mm keinen nennenswerten
nachteiligen Einfluß auf das von dem Leiter erhältliche elektrische Signal.