DE2010226B2

DE2010226B2 - Schaltungsanordnung zur überwachung des Schwingungsverhaltens umlaufender Maschinenteile

Info

Publication number: DE2010226B2
Application number: DE2010226A
Authority: DE
Inventors: Walter George Cross; Derek Leigh Lynas
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1969-03-05
Filing date: 1970-03-04
Publication date: 1975-02-06
Also published as: FR2037684A5; JPS4811192B1; DE2010226C3; US3641550A; DE2010226A1; CH512737A; GB1254219A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Schwingungsverhaltens umlaufender Maschinenteile mittels mehrerer, an verschiedenen Stellen angeordneter Schwingungsdetektoren, deren elektrische Ausgangssignale über einen gemeinsamen, jeweils nur ein Signal durchlassenden Schalter über Verstärker und Filter einer Anzeige- und Warneinrichtung zugeführt werden. Eine solche Schaltungsanordnung, die der Überwachung des Schwingungsverhaltens der Hauptwellen eines Gasturbinenstrahltriebwerks dient, ist aus der US-PS 3 400 578 bekannt. Über den Schalter kann hierbei selektiv das Schwingungsverhalten in der Nähe des vorderen oder des hinteren Hauptlagers festgestellt werden, so daß die dem Schalter nachgeschalteten Verstärker, Filter, Warn- und Anzeigeeinrichtungen nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach ausgebildete Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine kontinuierliche Gesamtüberwachung und beim Auftreten eines Fehlers eine selektive Suche des Feh

lerortes ermöglicht

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst daß der Schalter außerdem mit einer festen Frequenz, die kleiner ist als die zu überwachenden Frequenzen und größer als die reziproke Zeitkonstante der Anzeige- und Warneinrichtung umschaltbar ist und daß der Eingang der Warneinrichtung mit dem Eingang der Filter verbunden ist deren Ausgänge über einen weiteren Schalter einzeln an die Anzeigeeinrichtung anschließbar sind.

Durch diese kontinuierliche Umschaltung wird gewährleistet daß das bei der Dauerüberwachung den Anzeigevorrichtungen zugeführte Signal zeitlich zu-

,₅ sammengesetzt ist aus einem Anteil, welcher von dem beispielsweise dem Kompressorabschnitt des Triebwerks zugeordneten Detektor herrührt und einem weiteren Anteil der von dem beispielsweise der Turbine des Triebwerks zugeordneten Detektor herrührt Wenn die Größe des hieraus resultierenden Durchschnittssignal einen vorbestimmten Wert überschreitet und hierdurch die Warneinrichtung ausgelöst wird, erkennt man das Vorhandensein eines Fehlers, ohne zunächst zu wissen, wo dieser herrührt Der Flugzeugführer

2s kann dann aber durch Abschalten des Schalterantriebs und selektive Prüfung beider Kanäle schnell feststellen, ob die festgestellte Unregelmäßigkeit vom vorderen oder vom hinteren Abschnitt des Triebwerks herrührt. Eine weitere Einkreisung des Fehlers kann dann dadurch vorgenommen werden, daß durch selektives Anschalten der parallelgeschalteten Bandpaßfilter an eine Anzeigevorrichtung jener Frequenzbereich bestimmt wird, in welchem die Schwingungsamplitude von der normalen Schwingungsamplitude abweicht. So kann insbesondere bei einem Triebwerk mit drei konzentrisch in ineinander angeordneten Hauptwellen (Hochdruckwelle, Zwischendruckwelle und Niederdruckwelle) festgestellt werden, welche der drei Wellen für die Erhöhung der Schwingungsamplitude verantwort-Hch ist. Bei dieser Anwendung können beispielsweise Bandpaßfilter Anwendung findet·, die auf Frequenzbereiche zwischen 13 und 80 Hz bzw. 80 bis 120Hz bzw. !40 bis 400 Hz ansprechen.

Es ist zwar bereits allgemein bekannt, daß bestimmte Frequenzen auf bestimmte Fehler hinweisen und es ist auch bekannt hinsichtlich des Schwingungsverhaltens zu überwachende Vorrichtungen selektiv über Bandpaßfilter zu überwachen, jedoch war es bisher nicht möglich, eine kontinuierliche und selektive Überwa-

chung mehrerer Stellen mittels einer einzigen Überwachungsvorrichtung auf einfache Weise vorzunehmen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt ein schematiches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Überwachung des Schwingungsverhaltens umlaufender Maschinenteile.
Die Schaltungsanordnung in Form einer Vibrationsüberwachungsvorrichtung gemäß dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist insbesondere geeigent in Verbindung mit einem Dreiwellen-Gasturbinenstrahltriebwerk für ein Flugzeug und besteht aus zwei piezoelektrischen Kristallbeschleunigungsmessern 10, 12 die am nichtdargestellten Triebwerksgehäuse in der Nähe des Vorderendes bzw. des Hinterendes angeordnet sind. Die Ausgänge der Beschleunigungsmesser 10 und 12, die im wesentlichen kapazitive

Anordnungen darstellen, werden entsprechenden Eingängen 14,16 zweier Verstärker 18,20 mit hohem Verstärkungsgrad zugeführt, die entsprechende Rückkopplungskondensatoren Cl. C2 aufweisen. Die Verstärker 18,20 und die ihnen zugeordneten Kondensatoren C2, Z Cl wirken so als Ladungsverstärker, um den Ladungsfluß nach den Kristalldetektoren 10,12 und von diesen weg zu verstärken, die als Ergebnis der Triebwerksvibration auftreten, der die Kristalle ausgesetzt sind.

Die Eingänge 14,16 der Verstärker 18,20 sind außerdem mrt den jeweiligen Ausgängen 22, 24 eines Oszillators 26 für variable Frequenz verbunden.

Die Ausgänge 28, 30 der Verstärker 18, 20 sind jeweils mit den Eingängen 32, 34 eines bistabilen Schalters 36 verbunden, der einen einzigen Ausgang 38 hat, der wahlweise entweder mit dem Eingang 32 oder mit dem Eingang 34 verbunden werden kann. Der Schalter 36 weist ein Umschaltrelais 40 auf (schematisch in der Zeichnung dargestellt) oder einen Festkörperschaltkreis und im Betrieb erfolgt eine Umschaltung von 1 Hz, veranlaßt durch die Treiberschaltung 42. Die Treiberschaltung 42 kann aus einem einfachen Multivibratorkreis bestehen und ist mit zwei »Halten-Eingängen 44,46 versehen, wodurch die Schaltvorrichtung 36 in einem der beiden Schaltzustände gehalten werden kann, wenn dies erforderlich ist.

Der Ausgang 38 des Schalters 36 ist mit dem Eingang 48 eines Integrationsverstärkers 49 verbunden, der von einem Verstärker 50 mit hohem Verstärkungsgrad gebildet wird, der einen Eingangswiderstand R1 und einen Rückkopplungskondensator C 3 aufweist. Der Ausgang 52 des Integrationsverstärkers 49 ist mit dem Eingang eines Breitband-Bandpaßfilters 54 verbunden, das eine niedrige JdB-Frequenz (im typischen Fall von 13 Hz) hat und diese ist genügend niedrig, um die untersten Frequenzen zu umfassen, die durch Vibration bei der niedrigsten Drehzahl erzeugt werden, aber hoch genug, um im wesentlichen alle niedrigen Frequenzvibrationen auszusieben, die z. B. von der Flugzeugzelle erzeugt werden. Das Filter besitzt einen oberen Durchlaßbereich im typischen Fall von 400 Hz und dies ist hoch genug, um die Höchstfrequenzen auszusieben, die durch Vibration der am schnellsten laufenden Welle erzeugt werden, aber niedrig genug, um die Hochfrequenzvibrationen auszusieber, die z. B. beim Durchlaufen einzelner Schaufeln des Rotors des Triebwerks erzeugt werden.

Der Ausgang 55 des Bandpaßfilters 54 ist unmittelbar an einen Kontakt 56 eines Schalters 58 mit vier Stellungen angeschlossen und dieser Ausgang 55 der außerdem den Eingang einer Warneinrichtung 84 bildet, ist mit den drei übrigen Kontakten 60,62,64 dieses Schalters über ein Tiefpaßfilter 66, bzw. ein Bandpaßfilter 68, bzw. ein Hochpaßfilter 70 verbunden. Das Tiefpaßfilter 66 besitzt eine 3dB-Frequenz von 80 Hz; das Bandpaßfilter 68 besitzt obere und untere 3dB- Frequenzen im typischen Fall von 140 Hz. Die Filter 54,66, 68 und 70 sind so ausgelegt, daß jedes eine Flankensteilheit von nicht weniger als 30 dB pro Oktave besitzt.

Elektrische Signale des Frequenzbereiches zwischen 13 und 400 Hz treten am Kontakt 56 auf, Signale des Frequenzbandes 13 bis 80 Hz am Kontakt 60 und Signale des Frequenzbandes 80 bis 120Hz am Kontakt 62 und Signale im Frequenzband 140 bis 400 Hz treten am Kontakt 64 auf. Die Signale an den Kontakten 60, 62 und 64 liegen in nicht überlappenden Frequenzbändern.

Die drei speziellen Frequenzbänder werden so gewählt, daß wenigstens über dem Betriebsbereich des Triebwerks zwischen Startbedingung und Reiseflugbedingung die von der Niederdruckwelle erzeugten Vibrationen hauptsächlich im unteren Frequenzband Hegen, während die von der Zwischendruckwelle erzeugten Vibrationen hauptsächlich Lm Zwischenfrequenzband liegen und die von der Hochdruckwelle erzeugten Frequenzen in dem oberen Frequenzband liegen. Es ist jedoch klar, daß auch eine andere Anzahl geeigenter Frequenzbänder gewählt werden kann, um eine Anpassung an spezielle Probleme zu ermöglichen.

Der Ausgang 55 des Bandpaßfilters 54 ist außerdem über einen Gleichrichter 73. dessen Zeitkonstante etwa 2 Sekunden beträgt mit einem Eingang 7S eines Komparators 78 verbunden. Der andere Eingang 80 des Komparators 78 empfängt eine einstellbare Bezugsspannung, während der Ausgang 82 an ein Warnlicht 84 angeschlossen ist

Der Kontaktarm 85 des Schalters 58 ist auf den Kontakt 56 eingestellt und die Schalttreiberstufe 42 ist auf 1 Hz eingestellt Die Triebwerksvibrationen und andere Vibrationen bewirken jeweils die Erzeugung elektrischer Signale durch die Kristalle 10 und 12, wobei die Frequenz und Amplitude dieser Signale von Frequenz und Amplitude der Schwingung abhängt und diese Signale werden in den Ladungsverstärkern verstärkt welche von den Verstärkern 18, 20 sowie ihren Kondensatoren Cl, C2 gebildet werden. Die von den Ladungsverstärkern verstärkten Signale werden abwechselnd über den Schalter 36 dem Integrationsverstärker 49 zugeführt so daß dieser in jeder ersten Halbperiode das verstärkte Signal des K ristalles 10 und in der restlichen halben Sekunde das verstärkte Signal des Kristalls 12 erhält Die verstärkten Signale der Kristalle 10 und 12 werden auf diese Weise kombiniert da es möglich ist daß sie in Gegenphase liegen, so daß bei einer reinen Addition eine gewisse Auslöschung erfolgen würde.

Das verstärkte Signal des Verstärkers 49 durchläuft das Bandpaßfilter 54, das nur jene Komponenten des Signals im Frequenzbereich zwischen 13 und 400 Hz durchläßt wie dies oben beschrieben wurde, und die hindurchtretenden Komponenten gelangen in die Gleichrichterschaltung 86 und werden gleichgerichtet Das gleichgerichtete Signal des Gleichrichterkreises 86 repräsentiert somit einen Durchschnittswert der Signale, die von den Kristallen 10, 12 geliefert werden. Dieser Durchschnittswert wird durch die Anzeigeeinrichtung 88 angezeigt und stellt die Gesamtvibration dar, die vom Triebwerk von allen Wellen erzeugt wird, und zwar im Durchlaßbereich des Filters 54.

Das das Bandpaßfilter 54 durchlaufende Signal durchläuft auch den Gleichrichter 73 und wird von diesem gleichgerichtet Die Bezugsspannung am Eingang 60 des Komparators 78 wird so eingestellt daß dann, wenn der Ausgang des Gleichrichters 73 einen Wert erreicht der anzeigt daß die vom Triebwerk erzeugte Vibration so hoch ist daß der Flugzeugführer vorsichtig sein muß (wenn sich z. B. eine große Kompressoroder Gebläseschaufel löst), der Komparator 78 die Warneinrichtung 84 in Form eines Warnlichtes aufleuchten läßt.

Wenn es erforderlich ist, die hauptsächlich von einer der drei Wellen erzeugte Vibration zu überwachen, wird der Kontaktarm 85 des Schalters 58 auf den jeweiligen Kontakt 60,62 oder 64 gelegt und es wird am Anzeigegerät 88 die jeweilige Vibrationsgröße abgele-

sen. Diese Ablesungen werden in gleichförmigen Intervallen unter den gleichen Betriebsbedingungen vorgenommen, wodurch graduelle Änderungen der Vibrationspegel einzelner Wellen frühzeitig aufgedeckt werden und die entsprechende Gegenwirkung veranlaßt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung des Schwingungsverhaltens umlaufender Maschinenteile mittels mehrerer, an verschiedenen Stellen angeordneter Schwingungsdetektoren, deren elektrische Ausgangssignale über einen gemeinsamen, jeweils nur ein Signal durchlassenden Schalter über Verstärker und Filter einer Anzeige- und Warneinrichtung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (36) außerdem mit einer festen Frequenz, die kleiner ist als die zu überwachenden Frequenzen und größer als die reziproke Zeitkonstante der Anzeige- und Warneinrichtung (88; 84) umschaltbar ist, und daß der Eingang (55) der Warneinrichtung (84) mit dem Eingang der Filter (66; 68; 70) verbunden ist, deren Ausgänge über einen weiteren Schalter (58) einzeln an die Anzeigeeinrichtung (88) anschließbar sind

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den parallel zueinander geschalteten Filtern (66; 68; ⁷O) ein Breitbandfilter (54) vorgeschaltet ist, dessen Durchlaßbereich alle in Betracht zu ziehenden Schwingungsfrequenzen von z. B. 13 bis 400 Hz umfaßt und daß die parallelgeschalteten Schmalbandfilter (66; 68; 70) dieses Frequenzspektrum in drei selektive Bereiche von z. B. 13 bis 80 Hz, 80 bis 120 Hz und 140 bis 400 Hz unterteilen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Anzeigeeinrichtung einen Gleichrichter (86) aufweist, der selektiv mit den Ausgängen (56; 60; 62; 64) vom Breitpaßfilter (54) bzw. einem der parallelgeschalteten Bandpaßfilter (66; 68; 70) verbindbar ist

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Warneinrichtung (84) ein Gleichrichter (73) vorgeschaltet ist dessen Ausgangssignai in einem Komparator (78) mit einem Bezugssignal verglichen und beim Überschreiten eines vorbestimmten Wertes der Warneinrichtung (84) zugeführt wird.