DE2807296A1

DE2807296A1 - Einrichtung zur elektromechanischen abstandsmessung

Info

Publication number: DE2807296A1
Application number: DE19782807296
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Hoegg; Hartwig Dr Ing Knoell; Hermann Laudenberg
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1978-02-21
Filing date: 1978-02-21
Publication date: 1980-01-17
Also published as: JPS54123056A; IT7920317A0; GB2014733A; GB2014733B; IT1110277B; DE2807296C2; FR2417749A1

Description

2 8 C '296

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 13. Februar 1978

Einrichtung zur elektromechanischen Abstandsmessung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur elektromechanischen Abstandsmessung, insbesondere zur Messung des Abstandes zwischen im Betrieb feststehenden und rotierenden Bauteilen von Strömungsmaschinen, die ein gegenüber einem Meßobjekt festlegbares Gehäuse aufweist, in welchem eine motorisch antreibbare Gewindespindel verdrehbar gelagert ist, mit der ein Taster in Richtung auf das Meßobjekt und - nach Auslösung eines Berührungsimpulses - wieder vom Meßobjekt fort bewegbar ist, wobei das Meßergebnis aus dem Verstellweg der Gewindelspindel ermittelt wird, und wobei ferner der Taststift gegenüber dem Gehäuse sowie dem Meßobjekt elektrisch isoliert ist.

Eine derartige Einrichtung ist aus der Zeitschrift "Archiv für technisches Messen", Ausgabe Januar 1974, Seiten 11 und 12,

bekannt. *

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ORIGINAL WSPiT

28U7296

Diese bekannte Einrichtung soll vorzugsweise zur Messung des Spaltes zwischen Verdichter- oder Turbinenschaufelenden und der an die Schaufelenden angrenzenden Gehäuseinnenwand eingesetzt werden.

Man ist bestrebt, diesen sogenannten "Schaufelspalt" so klein wie möglich zu machen, wobei die Gefahr eines unerwünschten Änstreifens der Schaufelenden an der Gehäuseinnenwand weitestgehend ausgeschaltet werden können soll.

Nachdem es in der Praxis überaus schwierig oder kaum möglich ist, sämtliche mechanisch oder thermisch bedingten Einflußgrößen auf rechnerische Weise zur Spaltoptimierung zu ermitteln, ist man hierzu im wesentlichen auf die Messung des Schaufelspaltes angewiesen.

Bei der hierzu eingangs genannten bekannten Einrichtung soll das Meßergebnis u.a. über den Verstellweg eines axial verschiebbaren Taststiftes mittels eines Differentialtransformator-Weggebers ermittelt werden, der am freien Ende der stiftartigen Verlängerung des Tasters angeordnet ist.

Temperaturbedingte Wärmedehnungen des Stiftes führen im. vorliegenden bekannten Fall zu Fehlmessungen, und zwar insbesondere dann, wenn dieser Taststift aus Einbaugründen

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verhältnismäßig lang ausgeführt werden muß. Ein solcher Einbau-Fall liegt z.B. bei Zwei- oder Mehrstrom-Strahltriebwerken vor, wenn es darum geht, z.B. Schaufelspalte des Hochdruckverdichters und der Hochdruckturbine des Gaserzeugers zu messen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zum eingangs behandelten Stand der Technik vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine Einrichtung zu schaffen, mit der gefahrlos eine optimale Abstandsmessung ohne Beeinträchtigung durch Temperatureffekte erzielbar sein soll.

Bei verhältnismäßig einfachem Aufbau und relativ einfacher Handhabung der Einrichtung soll diese Aufgabe mit Rücksicht auf schwierige Exnbauverhältnxsse, die ein verhältnismäßig lang bauendes Meßgerät erzwingen, gelöst werden können.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Verstellweg aus der radialen Spindeldrehung sowie der Steigung des Spindelgewindes ermittelt wird. Vorzugsweise soll hierbei das Spindelgewinde in unmittelbarer Nähe des Meßortes positioniert sein.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes soll der Drehwinkel der Gewindespindel während des Drehvorganges von der Drehwelle abgegriffen und mittels eines absoluten Winkelkodierers elektrooptisch gemessen werden, mit welchem

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auch die Null- bzw. Ausgangsstellung der Gewindespindel definierbar ist, wobei je nach der Gewindesteigung der Spindel einer gänzlichen Umdrehung derselben ein bestimmter axialer Vorschub zugeordnet sein soll.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweiseweiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Einrichtung nebst zugeordneter elektronischer Steuereinheit und

Fig. 2 einen Teillängsschnitt des zur erfindungsgeirtäßen Einrichtung gehörigen Abstandsmeßgeräts in der Zuordnung zum Nebenstromkanal sowie zu Verdichterschaufeln des Hochdruckverdichters eines Gasturbinenstrahltriebwerkes.

Gemäß Fig. 1 treibt ein Antriebsmotor 1, vorzugsweise ein Elektromotor, über eine mit der Motorwelle koppelte, nach unten verlängerte Drehwelle 2 eine Gewindespindel 3 an,

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mit der ein Taster 4 in Richtung auf das Meßobjekt 5 suwie von diesem wieder fortbewegbar ist. Beim Meßobjekt 5 handelt es sich hierbei z.B. um einen schematisch wiedergegebenen Verdichterlaufschaufelkranz 6, der an einer Laufradscheibe 7 befestigt ist.

Die Gewindespindel 3 ist in einem Gehäuse 8 verstellbar angeordnet, wobei der Taster 4 gegenüber dem Gehäuse 8 und dem Meßobjekt 5 elektrisch isoliert eingebaut werden muß. Die Isolation ist in Fig. 1 schematisch mit 9 und 10 angedeutet.

Nach Fig. 1 ist weiter oberhalb des Antriebsmotors 1 ein absoluter Winkelkodierer 11 angeordnet, mit dem während des Drehvorganges der Drehwinkel der Gewindespindel 3 elektrooptisch gemessen werden kann, und welcher auch die Null- oder Ausgangsstellung der Spindel 3 einschließlich des in Drehrichtung starr gekoppelten Tasters 4 definiert. Je nach Gewindesteigung der Spindel 3 entspricht einer Drehung der Drehwelle 2 um 360° ein bestimmter axialer Vorschub der Spindel 3 bzw. des Tasters 4.

In Fig. 1 sind der Reihe nach weiter ein Meßinstrument für den elektrischen übergangswiderstand mit 12, eine Detektorelektronik mit 13, die Motorsteuerung mit 14 und ein Meßwertspeicher mit 15 bezeichnet.

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ORlGiWAL JN⁵SPECTED

.< 2 8 0 7 :> 9 6

- y-

/11

Der Meßvorgang geht wie folgt vor sich.

Der Antriebsmotor 1 bewegt die Spindel 3 einschließlich des Tasters 4 von der Nullstellung aus solange auf das Meßobjekt 5 zu, bis der elektrische Übergangswiderstand 12 zwischen der Spindel 3 nebst Taster 4 und Meßobjekt 5 einen eingestellten Grenzwert von beispielsweise 10 kil unterschreitet. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Detektorelektronik 13 einen Signalimpuls, und damit den Befehl "Berührung" (Signalfluß 16, 17, 18) ab, wodurch gleichzeitig der momentane Anzeigewert des Winkelkodierers elektronisch gespeichert und der Antriebsmotor 1 über die Motorsteuerung 14 automatisch umgesteuert wird, so daß er die Spindel 3 in die Nullstellung zurückfährt.

Im Meßwertspeicher 15 wird der Meßwert (digital kodierter Drehwinkel) gespeichert, und angezeigt, und zwar auch dann, wenn die Spindel 3 nebst Taster 4 die "Berührungsposition" schon wieder verlassen hat. Eine Anzeigefeld zum Ablesen des Meßwertes ist mit 19 bezeichnet.

Der auslösende Faktor für die Messung ist somit die scheinbare elektrische Kontaktierung zwischen Spindelspitze bzw. dem Tasterende und Meßobjekt 5. Der relativ hohe Grenzwert des Übergangswiderstandes von z.B. 10 k-Q~ bedeutet bei 15V Meßspannung jedoch nur eine sehr leichte Berührung, unter der Vor-

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909883/0004 _ ^-, ....--,

aussetzung, daß das Meßobjekt 5 ruht. Im Hauptanwendungsfall des Geräts, bei der Messsung des Radialspiels von Rotor-Schaufelgittern, besteht das Meßobjekt aus einer Vielzahl von Schaufeln 6, die mit hoher Wechselfrequenz an der Meßsonde vorbei bewegt werden. Bei dieser Anordnung - wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist - wird der Übergangswiderstand zwischen Taster 4 und Meßobjekt 5 hauptsächlich vom kapazitiven Scheinwiderstand der mit der Schaufelwechselfrequenz pulsierenden Gleichspannung bestimmt, die durch die Objektbewegung aufgeprägt wird. Dabei tritt nur eine scheinbare galvanische Berührung zwischen Taster 4 und Meßobjekt 5 auf. Je nach Höhe der Schaufelwechselfrequenz wird der Grenzwert von 10 klLschon bei einer Annäherung auf etwa 0,2 - 0,4 ώ m erreicht.

Die Genauigkeit des Gerätes hängt in erster Linie von der Dimensionierung der Spindelanordnung ab. Folgende Abmessungen können sich z.B. als zweckmäßig erweisen:

Spindelsteigung :

Auflösung des Winkelkodierers :

Gesamtbereich des Kodierers :

Daraus ergibt sich: :

Gesamtmeßbereich :

Auflösung :

0,5 mm/U

1000 Schritte/U 9999 Schritte

5 mm

0 ,5 ii m/digit

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_ 28(17296

/3

Das Gerät kann bei entsprechender Ausführung des Spindelkopfes für alle Abstandsmessungen eingesetzt werden, wenn die Größenordnung des Meßweges eine Umsetzung des axialen Weges in eine Spindeldrehbewegung erlaubt. Dabei spielt es zunächst keine Rolle, ob das Meßobjekt ruht oder sich bewegt. Für die Messung des Radialspiels z.B. von Verdichterrotoren wäre lediglich zu beachten, daß die Vorschubgeschwxndigkeit der Spindel auf die Schaufelwechselfreguenz des Rotors abgestimmt sein muß.

Bei der hier beschriebenen Bauform wird also nicht der axiale Spindelweg, sondern die radiale Spindeldrehung nach außen übertragen und gemessen, und aus der Spindelsteigung der Weg berechnet. Temperaturbedingte Längenausdehnungen des Gestänges, d.h. der Betriebswelle zur Spindel, verursachen keinen Meßfehler, wenn sichergestellt ist, daß das Spindelgewinde möglichst nahe am Meßort sitzt, d.h. der Taststift selbst möglichst kurz ist und, daß das Antriebsgestänge torsionsspielfrei arbeitet. Die Wärmedehnung des kurzen Taststiftes selbst kann konstruktiv meist so klein gehalten werden, daß ihr Einfluß zu vernachlässigen ist.

Fig. 2 vex'körpert eine am oberen Ende, abgebrochen dargestellte, konkrete technische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abstandsmeßgerätes für die beispielhafte Anwendung bei einem Zweistromstrahltriebwerk, um z.B. den Schaufelspalt zwischen

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den äußeren Enden von Verdichterlaufschaufeln 19 und der angrenzenden inneren Gehäusewand 20 einer Verdichterstufe eines Hochdruckverdichters zu messen.

Hierfür soll das Meßgerät durch einen von Gehäusewandteilen 21, 22 umgrenzten Nebenstromkanal 23 des Triebwerkes hindurchgeführt werden.

Das Meßgerät nach Fig. 2 ist aus mehreren hülsenartigen

Gehäuseabschnitten 24, 25, 26, 27 zusammengesetzt. '

Innerhalb des aus diesen Abschnitten zusammengesetzten Gehäuses ist die mit dem Antriebsmotor gekoppelte Drehwelle gelagert, wobei die Lagerung in dem in der Zeichnung nicht mehr ersichtlichen, abgebrochenen oberen Ende des Gehäuseabschnitts 24 angeordnet ist.

Die Drehwelle 28 weist eine Schiebekupplung 29 auf, mit der -^ die aus zwei Abschnitten zusammengesetzte Gewindespindel 30 einerseits in Umfangsrichtung mitgedreht wird und andererseits hierbei gleichzeitig die Möglichkeit erhält, sich ent— sprechend der gewählten Gewindesteigung in axialer Richtung zu verschieben, und zwar innerhalb des hülsenartigen Mitnahmekörpers 31.

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ORIGINAL 'NSPEGTED

Die beiden Abschnitte der Gewindespindel 30 sind über eine Kardankupplung 32 untereinander verbunden, um etwaige thermische Einflüsse sowie axialen Gehäuseversatz der Maschine zu kompensieren.

Gemäß Fig. 2 ist weiter koaxial zur Drehspindel 28 sowie koaxial zur Gewindespindel 30 ein ringförmiger Kühlkanal angeordnet, der über ein seitlich am Gehäuseabschnitt 24 angeordnetes Leitungsanschlußstück 34 mit Druckluft beaufschlagbar ist.

Mit dem Gehäuseabschnitt 27 ist ferner ein als Endanschlag sowie zur Fixierung des Meßgerätes am Verdichtergehäuse dienendes Bauteil 35 verbunden, welches mittels eines hülsenartigen Gewindeträgers 3 6 für die Gewindespindel 30 in den Kühlkanal 33 hineinragt.

Mittels im hülsenartigen Gewindeträger 36 angeordneter Kühlluftbohrungen 37 kann der aus dem unteren Abschnitt der Gewindespindel 30 herausragende Taststift 38 gezielt gekühlt werden.

Eine Isolierung aus Glaskeramik zwischen dem Taststift 38 und dem oberen sowie unteren Abschnitt der Gewindespindel ist mit 39 bezeichnet.

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Die Kühlluft kann weiter über eine im Bauteil 35 angeordnete Austrittsöffnung 40 einem zwischen Bauteil 35 und Verdichtergehäuse gebildeten Ringkanal 41 zugeführt werden, und zwar mit gleichzeitiger Sperrluftfunktion gegenüber dem Verdichterkanal 42, mit welchem der Ringkanal 41 über eine Gehäusebohrung 43 in Verbindung steht, über welche der Taststift gegen die Laufschaufeln 19 bewegbar ist.

Für die Null- bzw. Ausgangsstellung des Meßgerätes sei zugrundegelegt, daß das Taststiftende bündig mit der inneren Gehäusewand 20 ist.

Im Bereich des Gehäuseabschnitts 24 ist der Taststift von der Drehwellenmitte seitlich nach außen geführt und geht über in einen hülsenartigen Kontaktierungsabschnitt 44, welcher auf der dem Leitungsanschlußstück 34 gegenüberliegenden Seite mit einem am Gehäuseabschnitt 24 befestigten Schleifringüberträger 45 korrespondiert. Zwischen dem hülsenförmigen Kontaktierungsabschnitt 44 und dem zugehörigen Abschnitt der Drehwelle 28 befindet sich eine Teflonisolierung 46.

Mit 47 ist weiter ein mit dem Gehäuseabschnitten 24, 25 verschraubtes Anschlagbauteil bezeichnet, mit welchem das Meßgerät zusätzlich an den Gehäusebauteilen 21 des Nebenstromkanals des Triebwerkes festgelegt werden kann.

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Mit 48 und 49 sind Faltenbälge bezeichnet, mit denen eventuell auftretende axiale Gehäuseversetzungen des Meßgerätes kompensiert werden sollen.

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Claims

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Patentansprüche

Einrichtung zur elektromechanischen Abstandsmessung, insbesondere zur Messung des Abstandes zwischen im Betrieb feststehenden und rotierenden Bauteilen von Strömungsmaschinen, die ein gegenüber einem Meßobjekt festlegbares Gehäuse aufweist, in welchem eine motorisch antreibbare Gewindespindel verdrehbar gelagert ist, mit der ein Taster in Richtung auf das Meßobjekt und - nach Auslösung eines Berührungsimpulses - wieder vom Meßobjekt fort bewegbar ist, wobei das Meßergebnis aus dem Verstellweg der Gewindelspindel ermittelt wird, und wobei ferner der Taster gegenüber dem Gehäuse sowie dem Meßobjekt elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellweg· aus der radialen ^J Spindeldrehung sowie der Steigung des Spindelgewindes ermittelt wird»

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ORiGiNAL INSPECTED

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel der Gewindespindel (3) während des Drehvorganges von der Drehwelle (2) abgegriffen und mittels eines absoluten Winkelkodierers (11) elektrooptisch gemessen wird, mit welchem auch die Null- bzw. Ausgangsstellung der Gewindespindel definierbar ist, wobei je nach der Gewindesteigung der Spindel einer gänzlichen Umdrehung derselben ein bestimmter axialer Vorschub zugeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßvorgang anhand eines scheinbaren elektrischen Kontaktes zwischen dem Taster (4) bzw. der Spindelspitze und dem Meßobjekt (5) auslösbar ist, wozu der elektrische Übergangswiderstand (12) zwischen Taster und Meßobjekt gemessen wird, wobei infolge einer sich bei der Bewegung des Tasters in Richtung auf das Meßobjekt ergebenden Unterschreitung eines Widerstandsgrenzwertes ein Berührungssignal (16, 17, 18) erzeugt wird, wodurch gleichzeitig sowohl der augenblickliche Anzeigewert des absoluten Winkelkodierers (11) gespeichert als auch der Antriebsmotor (1) der Gewindelspindel umgesteuert, und damit die letztere über die Drehwelle (2) in die Nullstellung zurückgefahren wird.

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4. Einrichtung nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zwischen den Antriebsmotor und die Drehwelle ein Untersetzungsgetriebe geschaltet ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spindelgewinde in ummittelbarer Nähe des Meßortes angeordnet ist.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen deren Gehäuse, bzw. Gehäuseabschnitten (24, 25, 26, 27) und der Gewindespindel (30) einschließlich des Taststiftes (38) sowie der zugehörigen Drehwelle (28) ein mittels Druckluft beaufschlagbarer, ringförmiger Kühlkanal (33) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (38) auf der dem Meßobjekt (Laufschaufeln 19) zugekehrten Seite unmittelbar aus dem Kühlkanal (33) mittels Kühlluft beaufschlagbar it>t.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen I₁ bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Gehäuse, bzw. mit den Gehäuseabschnitten (27) verbündendes sowie als Endanschlag der Vorrichtung gegenüber dem Meßobjekt festlegbai.es Bauteil (35) mittels eines hülsenartigen Gewinde-

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trägers (36) für die Gewindespindel (30) in den Kühlkanal (33) hineinragt und ferner mit gegen den Taststift (38) gerichteten Kühlluftbohrungen (37) versehen ist, wobei die Kühlluft unter gleichzeitiger Sperrluftfunktion über eine in diesem Bauteil enthaltene Austrittsöffnung (40) für den Taststift abführbar ist.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne hülsenartige Gehäuseabschnitte (25, 26) durch einen oder mehrere Faltenbälge (48, 49) untereinander verbunden sind.

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel (30) über eine Schiebekupplung (2 9) mit der zum Antriebsmotor führenden Drehwelle (28) gekoppelt ist.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (30) aus zwei über eine Kardankupplung (32) miteinander verbundenen Spindelabschnitten besteht.

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ORfGWAL

Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich eines Gehäuseabschnittes (24) ein Leitungsanschlußstück (34) für die Druckbzw. Kühlluftzufuhr sowie ein für den Abgriff des Tasterpotentials von der Drehwelle (28) geeigneter Schleifringübertrager (45) vorgesehen ist.

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