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Induktive Spalt- oder Spielmeßeinrichtungen, bei denen in einer Brückenschaltung
die Induktivitätsänderungen einer Meßspule erfaßt werden, deren Magnetfeld durch
den Meßspalt verläuft, finden vorzugsweise bei Kreiselmaschinen, z. B. Dampf- oder
Gasturbinen, Anwendung. Bei den letzteren ergeben sich besonders schwierige Verhältnisse
dadurch, daß die Meßinduktivität bzw. Meßspule und eine zu Vergleichszwecken dienende
Spule oder Induktivität hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wenn die genannten Induktivitäten
möglichst nahe gegenüber rotierenden Teilen der Turbine angeordnet werden, was zum
Erhalt brauchbarer Meßwerte erforderlich ist, da der Spulenfluß von den rotierenden
Teilen spaltabhängig verändert werden muß.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Geber für derartige induktive
Spaltmeßeinrichtungen bei Turbomaschinen, insbesondere Dampf- oder Gasturbinen,
mit einem Doppelspulensystem im Bereich der Meßstelle, dessen eine Spule als Vergleichsspule
und dessen zweite Spule als Meßspule dazu dient, den Spalt zwischen einem umlaufenden
Maschinenteil und einem feststehenden Maschinenteil mittels Messung der Induktivität
sowie änderungen derselben auf Grund des Flusses in dem magnetischen durch den Spalt
zwischen den genannten Teilen verlaufenden Kreis der Meßspule festzustellen oder
zu überwachen, wobei die beiden Spulen in Doppel-Topfkernanordnung auf einem gemeinsamen
Kern mit achsnormalem, zwischen den Spulen angeordnetem zentralem Scheibenteil sitzen
und zusammen mit Kern und Scheibenteil von hülsenförmigen, sich dicht an den Scheibenteil
anschließenden und im Rückszhlußweg liegenden Jochteilen umgeben sind.
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Bei einem bekannten Geber dieser Art (deutsche Auslegeschrift 1 004387)
sind die hülsenförmigen Jochteile gegenüber dem Meßspalt durch eingeschweißte oder
eingelötete austenitische Scheiben oder Ringe unter Bildung eines das Spulensystem
zum Stufenraum abdichtenden Gehäuses abgedeckt.
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Erfahrungen haben nun gezeigt, daß dieser bekannte Geber in verschiedener
Hinsicht verbesserungsbedürftig ist. So ist das gleiche Temperaturniveau für Meß-
und Vergleichsspule praktisch nicht realisierbar, weil sich das in radialer Richtung
auftretende Temperaturgefälle über die hülsenförmigen Jochteile den Spulen mitteilt.
Die die Meßergebnisse beeinträchtigenden Temperaturdifferenzen zwischen Meß- und
Vergleichsspule treten besonders beim An- und Abfahren der Turbine auf - Betriebszustände,
bei welchen auch und gerade eine genaue Spaltmessung erforderlich ist. Weiterhin
ist es beim bekannten Geber praktisch unmöglich, die ringförmigen, Kurzschlußwindungen
darstellenden Schweißnähte zwischen den austenitischenAbdeckscheiben oder Ringen
und dem dem Meßspalt zugewandten Ende der hülsenförmigen Jochteile mit genau definierter
Wandstärke und damit bestimmten Widerstand bzw. bestimmte Dämpfungswirkung auszuführen.
Außerdem sind Schweiß- oder Lötverbindungen zwischen austenitischen und ferritischen
Werkstoffen direkt innerhalb des hohen Temperaturen ausgesetzten Meßspahes nicht
günstig. Schließlich muß noch darauf hingewiesen werden, daß beim bekannten Geber
magnetostriktiv bedingte Induktivitätsänderungen auftreten können, da die Kerne
bei unterschiedlichem Temperaturniveau unterschiedlichen Wärmespannungen bzw. -dehnungen
unterliegen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Beseitigung der geschilderten
Schwierigkeiten einen Geber für induktive Spaltmeßeimichtungen der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei welchem Meß- und Vergleichsspule auf einfache Weise jeweils
der gleichen Erwärmung aussetzbar sind, so daß Beeinträchtigungen der Messung durch
temperaturbedingte Einflüsse ausgeschlossen sind.
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An sich ist bereits eine Druck- bzw. Detonationsmeßeinrichtung bekannt
(USA.-Patentschrift 2 269 760), bei welcher zwischen einer Gehäusebüchse aus unmagnetischem
Material und hülsenförmigen Jochteilen einer Meßspule wärmedämmende Spalte vorgesehen
sind. Da jedoch lediglich eine Meßspule vorhanden ist, deren Induktivität abhängig
von den mechanischen Spannungen eines mit der druckbelasteten Membran gekoppelten
Kernes veränderbar ist, tritt das Problem der Temperaturgleichhaltung zwischen einer
Meß- und einer Vergleichs spule nicht auf. Außerdem kommt es nicht darauf an, daß
von dem Meßspulensystem ein mehr oder weniger großer Anteil der im Meßspalt vorhandenen
Streufeldlinien spaltabhängig eingefangen wird und damit das Spulensystem extrem
nahe am Meßspalt angeordnet ist. Vielmehr können dort die vom Membrankörper in Verformungen
umgewandelten Druckschwankungen über ein zugleich ein Übertragungsglied darstellendes
Kernende auf den innerhalb der Spule an geordneten Kernteil übertragen werden.
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Bei einer anderen Druck- bzw. Detonationsmeßvorrichtung (britische
Patentschrift 664 684) ist zwar ein Doppelspulensystem vorgesehen, jedoch kommt
es auch hier nicht darauf an, die Polfläche der Meßspule extrem nahe zu einem Meßspalt
anzuordnen, vielmehr werden hier die in Auslenkungen einer Membrane umgeformten
Druckwerte von einem die zylindrische Meßspule durchdringenden Kupplungsglied auf
einen elastischen, durchbrochenen Membrankörper übertragen, der sich in Ruhestellung
in der Mitte des Spaltes zwischen den einander zugewandten Polflächen der beiden
Spulen befindet.
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Durch die Auslenkungen dieses elastischen Membrankörpers werden die
Induktivitäten der beiden Spulen relativ zueinander verstimmt. Dadurch, daß die
Stützflächen der innerhalb eines Hohlraumes eines Einsatzteiles angeordneten Spulen
einerseits innerhalb eines in der Nähe des Meßraumes liegenden Schraubkopfes, andererseits
weit abgewandt von diesem Schraubkopf innerhalb eines Halsteiles des Einsatzkörpers
liegen, durch welchen die Spulenzuleitungen und die Gaszuleitung für den Gegendruck
der Membrane geführt sind, ist nicht jene gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen
den Meßspulen erzielbar, wie sie für Meß- und Vergleichsspulen bei Spaltmeßeinrichtungen
für Turbomaschinen erforderlich ist. Zwar ist bei der bekannten Meßeinrichtung weiterhin
vorgesehen, daß durch die Gegendruckleitung in den die beiden Spulen aufnehmenden
Hohlraum des Einsatzkörpers ein Kühlmedium eingeleitet wird, das nach Umströmen
der Spulen durch einen am äußeren Umfang der Spulen angeordneten Ableitkanal wieder
abführbar ist. Bei Gebern für induktive Spaltmeßeinrichtungen für Turbomaschinen,
bei welchen die Polflächen der Meßspule extrem nahe am Meßspalt angeordnet werden
müssen, verbietet es sich jedoch, das Spulensystem über Kühlkanäle durch ein Kühlmedium
zu beaufschlagen, da hierdurch das Temperaturfeld in der Umgebung des Meßspaltes
verfälscht
wird und damit eine genaue Spaltmessung illusorisch wird,
abgesehen davon, daß eine Komplizierung der Meßeinrichtung durch ein Kühlgaszu-
und -ableitsystem tunlichst zu vermeiden ist.
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Die Erfindung besteht nunmehr bei einem Geber für induktive Spaltmeßeinrichtungen
bei Turbomaschinen, insbesondere Dampf- oder Gasturbinen, der eingangs näher definierten
Art darin, daß das Spulensystem mittels eines am äußeren Umfang der Jochteile etwa
in der Symmetrieebene zwischen den beiden Spulen angeordneten Stützflansches an
Stützflächen innerhalb einer geschlossenen warmfesten Gehäusebüchse aus unmagnetischem
Material gelagert und zwischen Gehäusebüchse und den Jochteilen außerhalb des Bereiches
des Stützfiansches in an sich bekannter Weise eine Wärmeisolierung vorgesehen ist,
derart, daß die dem Spulensystem von der Gehäusebüchse über den Stützflansch zuströmende
Wärme in seiner Symmetrieebene zuleitbar und auf beide Spulen gleichmäßig aufteilbar
ist. Dem Spulensystem wird somit von der äußeren warmfesten Gehäusebüchse nur an
der Stelle des Stützfiansches, die dem Meßspalt abgewandt ist und von letzterem
einen beträchtlichen Abstand aufweist, die Wärme zugeführt, so daß sie in praktisch
symmetrischer Verteilung den beiden Spulen bzw. dem Spulenkern zuströmt. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hierzu bei einem Geber mit ferromagnetischem
und gut wärmeleitendem Material für Kern und Scheibenteil und luft- oder gasgefüllten
Spalten als Wärmeisolierung die Anordnung so getroffen, daß der Stützflansch als
zentraler Bund an einer Ringschulter der Gehäusebüchse abgestützt und am inneren
Umfang letzterer geführt ist.
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Zweckmäßigerweise ist der Stützflansch mittels eines in die Gehäusebüchse
einfügbaren Rohrstückes aus unmagnetischem Material und eines in die Gehäusebüchse
einschraubbaren Gewinderinges verspannbar, wobei zwischen Gewindering und Rohrstück
ein Dichtring eingefügt ist. Der letztere bildet vorteilhafterweise den Flansch
eines Zuleitungsrohres, das zur Herausführung der in eine isolierende Masse, z.
B. Magnesiumoxid, eingebetteten Spulenzuleitungen dient.
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Zur Abstützung des isoliert in der Geberbüchse angeordnetenSpulensystems
könnten auch beschränkte Abmessungen aufweisende Stützteile aus einem keramischen
Material verwendet sein, die zwischen dem Spulensystem und der Geberbüchse angeordnet
sind. Auch in diesem Falle läßt sich die Spulenabstützung so durchführen, daß eine
bestimmte Überbrückung der isolierenden Spalte und ein Wärmeübergang an den Stützpunkten
nur in solcher Weise möglich ist, daß praktisch gleiche Erwärmungsverhältnisse in
den Spulen gesichert sind.
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Es empfiehlt sich, den Kernkörper des Spulensystems so auszubilden,
daß die elektrischen Eigenschaften des Spulensystems möglichst wenig durch Kurzschlußkreise
gestört werden. Zweckmäßig sind hierzu der zentrale Scheibenteil des Magnetkernes
und gegebenenfalls die hülsenförmigen Jochteile wenigstens an einer Stelle geschlitzt,
damit das Entstehen einer geschlossenen Kurzschlußstrombahn verhindert ist.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der mehrere Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung noch näher erläutert.
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Es zeigt
F i g. 1 einen Schritt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten
induktiven Geber, Fig. 2 und 3 im einzelnen die Ausbildung des Eisenkernes und der
Jochhülse für das Doppelspulensystem, F i g. 4 und 5 einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Geber in vereinfachter Außenansicht, eingebaut in eine Dampfturbine, F i g. 6 und
7 schließlich eine andere Befestigung des Gebers im Turbinengehäuse mit Gewindeschraubring.
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In Fig. 1 bedeutet 1 das Spulensystem für den induktiven Geber einer
Spaltmeßeinrichtung. Dieses Spulensystem besteht dabei aus der innenliegenden Vergleichsspule
2 und der dem Meßspalt 4 zugewendeten Meßispule 3. Die beiden Spulen aus Kupfer
oder einem anderen hochwertigen Leiter sind auf einen Kernteil 5 aufgewickelt und
durch ein Bindemittel z. B. einen temperaturfesten Zementkitt starr damit verbunden.
Das Spulensystem 1 hat an der Jochhülse 23, in seiner Mitte zwischen den beiden
Spulen, einen als zentralen Bund ausgeführten Stützflansch 6. Das Spulensystem wird
an dem Stützflansch 6 an der das Spulensystem umgebenden Gehäusebüchse 7 aus warmfestem
unmagnetischem Material, z. B. austenitischem Stahl, befestigt. In der Büchse 7
ist eine Schulter 8 vorgesehen, an der das Spulensystem mittels des Stützflansches
6 abgestützt werden kann. Grundsätzlich steht das Spulensystem - abgesehen von dem
Stützflansch nicht mit der Gehäusehülse 7 in Verbindung. Vielmehr sind zwischen
den genannten Teilen Spalte vorgesehen, die einen direkten Wärmeübergang von der
Gehäusebüchse auf das Spulensystem verhindern.
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Da die Spalte mit Luft angefüllt sind, ergibt sich, daß die Spalte
9 eine gute Wärmeisolierung zwischen Spulensystem und Gehäusebüchse 7 darstellen.
Zum Festspannen des Stützflansches 6 des Spulensystems dient ein Rohrstück 10, welches
den Stützflansch 6 an die Schulter 8 der Gehäusebüchse 7 anpreßt. Die Spannkräfte
werden durch einen Gewindering 11 erzeugt, der in das Innengewinde 12 der Gehäusebüchse
7 eingeschraubt ist. Zur Abdichtung liegt zwischen dem Gewindering 11 und dem Rohrstück
10 ein Ring 13. Dieser Ring stellt zweckmäßigerweise den Flansch eines Einführungsrohres
14 dar, durch welches Anschlußleitungen 15 von dem Spulensystem aus dem Inneren
der Gehäusebüchse herausgeführt werden. Das Rohr 14 ist zweckmäßigerweise mit einer
isolierenden Zwischenschicht 16 aus Magnesiumoxid od. dgl. gefüllt, in welche die
Leiter, die zu den Spulen geführt sind, eingebettet sind.
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Die Gehäusebüchse 7, welche das Spulensystem enthält, kann in geeigneter
Weise in den Turbinengehäusen durch Verschweißen, Verschrauben oder in ähnlicher
Weise befestigt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel ist ein Flansch 17 der Gehäusebüchse
bei 17 a mit einem aus ferritischem Material bestehenden Flanschrohr 18 verbunden,
welches die Möglichkeit bietet, die an dem Flanschrohr 18 gehaltene Gehäusebüchse
fest in dem Turbinengehäuse zu verspannen. Die Abdichtung kann hierbei vorzugsweise
durch besondere metallische Dichtungsringe 19 an einer ringförmigen Dichtfläche
19a des Turbinengehäuses 20 erfolgen.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen noch im einzelnen die Ausbildung des Spulensystems
bzw. des Eisenkernes für dieses System. Der Eisenkern besteht im wesentlichen
aus
dem Bolzen 21 aus ferritischem Material, der in seiner Mitte mit einem zentralen
Scheibenteil 22 versehen ist. 23 bedeutet eine ebenfalls aus ferritischem Material
bestehende Jochhülse, die unter Umständen auch mit dem scheibenförmigen Teil 22
vereinigt oder verbunden sein kann. Der Eisenkern bildet so gewissermaßen einen
Doppeltopf, der an seinen beiden äußeren Seiten offen ist, wo sich das Magnetfeld
entweder in dem Innenraum der Gehäusebüchse oder über dem zu messenden Luftspalt
der Maschine schließt. In Fig. 2 ist zur Vereinfachung nur das untere Meßspulensystem
3 eingezeichnet, während die Vergleichsspule weggelassen ist. Wie aus F i g. 3 hervorgeht,
weist der Scheibenkörper 22 einen radialen Schlitz 22a auf, wodurch die Bildung
eines geschlossenen Kurzschlußringes konzentrisch zu dem Kernbolzen 21 verhindert
wird. Unter Umständen ist es möglich, zusätzlich weitere Spalte symmetrisch in dem
Scheibenkörper 22 oder der Jochhülse 23 vorzusehen, die durch eingefügte Zwischenlagen
aus isolierendem Material, z. B. Zement od. dgl., ausgefüllt sein können.
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Fig. 4 veranschaulicht schematisch die Anordnung eines gemäß der
Erfindung ausgebildeten induktiven Gebers in dem Innengehäuse einer Dampfturbine.
Dabei ist die Gehäusebüchse 7 durch Verschweißen mit dem Flanschrohr 18 verbunden.
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Letzteres ist über seinen Flansch 24 mittels der Schrauben 25 mit
dem Turbineninnengehäuse 20 verbunden. Durch die Dehnschrauben 25 wird der gesamte
Meßeinsatz über den Dichtring 19 gegen die Dichtfläche 19 a des Turbinengehäuses
gepreßt.
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Fig. 5 zeigt schließlich noch die Gesamtanordnung des Gebers nebst
der Leitungszuführung durch das Außengehäuse. In der Figur bedeutet wieder 20 das
Innengehäuse. 18 ist das die Meßeinrichtung aufnehmende Flanschrohr, das in der
in F i g. 4 gezeigten Weise an dem Innengehäuse befestigt ist. Die Leitungen sind
in dem Rohr 14 geführt, das eine kreisförmige Schleife bildet. Die Abdichtung erfolgt
durch einen Stoffbüchsenkörper 30.
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In Fig. 6 ist noch eine abweichende Ausführung mit Befestigung des
Flanschrohres 18 des Gebers durch einen Gewindeschraubring angedeutet, der in eine
Bohrung des Innengehäuses 20 eingeschraubt ist. Gleiche Teile zu F i g. 4, 5 tragen
gleiche Bezugszeichen.
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F i g. 7 zeigt schließlich für eine Anordnung gemäß Fig. 6 die Leitungsführung
und Abdichtung gegenüber dem Außengehäuse.