DE3502278A1

DE3502278A1 - Vorrichtung zur messung von druecken in rotierenden anordnungen (systemen)

Info

Publication number: DE3502278A1
Application number: DE19853502278
Authority: DE
Inventors: Helmut 8000 München Brandt; Kurt Dr. 8900 Augsburg Ding; Josef 8061 Hebertshausen Wenzl
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1985-01-24
Filing date: 1985-01-24
Publication date: 1986-07-24
Also published as: IT8523096A0; FR2576413B1; US4703326A; FR2576413A1; IT1186239B; DE3502278C2; GB2173002B; GB8601780D0; GB2173002A

Description

zw/si

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 16.1.1985

Vorrichtung zur Messung von Drücken in rotierenden Anordnungen (Systemen)

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung

von Drücken in rotierenden Anordnungen (Systemen) wie 15

. Strömungsmaschinen mit wenigstens einem gehäuseseitigen Lagerteil und wenigstens einer darin drehbar gelagerten Welle für einen Rotor, verschiedenen Meßstellen für Druckmessungen mit geeigneten Sensoren und einem pneumatisch/elektrischen Meßstellenumschalter.

Wenn eine Reihe von Meßwerten, insbesondere Druckmeßwerten, von rotierenden Anordnungen erfaßt werden, so müssen diese im allgemeinen, jedenfalls bei Strömungs-

_o_ maschinen, .insbesondere Gasturbinentriebwerken, nach Ao

außen übertragen werden. Hierfür sind verschiedene Lösungsmöglichkeiten bekannt.

Eine bekannte Lösung besteht darin, die Druckleitungen

für die pneumatische Meßstellenumschaltung einzeln mit 30

O-Ring (axial versetzt) abzudichten.

Jede Abdichtung mit O-Ringen hat jedoch den Nachteil, daß sie nur für niedrige Drehzahlen geeignet ist (ins-

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besondere unter η = 6000 min ) . Die O-Ringe verschleißen, die Standzeiten sind relativ kurz. Solche Konstruktionen machen auch ein frei zugängliches Wellenende erforderlich.

Temperaturbeeinflussungen der Meßwerte sind nicht ausgeschlossen.

Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, Meßsignale ¹^ von mit der Rotorwelle mitrotierenden Drucksensoren über Schleifringe zu übertragen. Nachteilig sind hierbei ebenfalls kurze Standzeiten, da"die Schleifringe nicht verschleißfrei arbeiten. Ferner ist ein frei zugängliches

Wellenende erforderlich.
15

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung zu schaffen, bei der eine mehrkanalige Messung einer Anzahl von Drücken, Temperaturen, etc. an rotierenden Teilen während des Laufs und von außen steuerbar zu messen und die Meßwerte möglichst unverfälscht nach außen zu übertragen. Ferner sollte der Eihsatzbereich hinsichtlich Drehzahlen und Temperaturen erweitert werden, daß ein Ausbau der Komponenten erleichtert und die Spannungsund Schaltluftversorgung vereinfacht werden. Nicht zuletzt soll die Anordnung der Komponenten so getroffen sein, daß sie möglichst verschleißfrei arbeiten, um über eine möglichst lange Zeit eine möglichst hohe Meßgenauigkeit zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß in einer Hohlwelle achszentral angeordnet sind:

ein pneumatischer Schrittmotor (von außen ansteuerbar) für den mitrotierenden Meßstellenumschalter,

ein DruckmeßStellenumschalter
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ein Halte- und Verbindungsteil für Umschalter und pneumatischen S(hrittmotor,

ein Drucksensor und gegebenenfalls weitere Meßelemente des Drucksignals,

ein Meßwertsender für telemetrische Datenfernübertragung, ein Meßwertsender für Temperaturen zur Korrektur des Drucksignals/

ein Träger für die Sendemodule und eine Antenne und Spannungsversorgungs spule hierfür, wobei die Empfangsantenne für die Meßdaten und die Spule für die elektrische Leistungsversorgung des Stators (gehäuseseitig) ebenso angeordnet ist wie die Steuer- und Auswerteeinrichtung (Schaltanordnung)»

¹^ Wesentliche Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß der Drehzahlbereich, in dem derartige Messungen durchgeführt werden können, t^egenüber bekannten Meßeinrichtungen wesentlich erhöht wurde. So wurden Einsatzdrehzahlen bis weit über 20 000 min über längere

*® Zeit gefahren. An den Druckmeßstellen besteht keine Temperaturobergrenze. Eine gesonderte Kühlung für die Welle ist nicht erforderlich.

Die berührungslose telemetrische Signalübertragung hat den Vorteil, daß hierdurch die Standzeit der Anordnung nicht nachteilig beeinflußt wird.

Die berührungslose Schaltluftübertragung zum pneumatischen Schrittmotor für den Meßstellenumschalter und die be- °® rührungslose Spannungsversorgung mittels induktiv gek_oppelter Spulen ergibt ebenfalls keine Beeinträchtigung der Standzeit durch Verschleiß wie bei den bekannten Meßeinrichtungen.

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Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Meßanordnung als eine steckbare Einheit, die in einer Hohlwelle angeordnet ist. Bei Defekt oder Nacheichung von Komponenten kann die steckbare Anordnung leicht von einer Seite der Hohlwelle ein- und ausgebaut werden. Der Einbau und die Kalibrierung wird weiter erleichtert, dadurch daß an einem Ende eine Hohlwelle die Druckluftversorgung und an dem anderen Inde die Stromversorgung erfolgt. Weiterhin ist der Ein- und Ausbau dadurch erleichtert, daß die Meßvorrichtung axial bzw. ineinander steckbare Einzelkomponenten aufweist, wie Temperaturfühler, Drucksensor, deren Träger und Sender "(Antenne) sowie Druckumschalter und Schrittmotor.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels einschließlich Schaltungsanordnung sowie ihrer Verwendung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen rein schematisch dargestellt, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltungsanordnung der wesentlichen Komponenten der Erfindung,

Fig. 2 der Aufbau der Meßanordnung, eingebaut in einen Träger,

Fig. 3 den pneumatischen Schrittmotor, den Druckumschalter sowie die Halterung und Verbindungsteile,

Fig. 4 die Komponenten gemäß Fig. 3, jedoch zusätzlich mit Telemetrieträger, Sendemodulen, Antenne und entsprechenden Halte- bzw. Verbindungsteilen,

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Fig. 5 die Komponenten der Meßanordnung zu einer steckbaren Einheit zusammengebaut,

Fig. 6 die Meßeinheit und das Telemetriesystern 5

eingebaut in eine Turbomaschine.

Das Prinzip vorliegender Erfindung beruht auf einem mehrkanaligem Meßwerterfassungs-, übertragungs- und Auswertungssystem mit einer berührungslos'.en Datenfernübertragung. Mehrere Druck-Meßstellen werden umgeschaltet von einem pneumatischen Antrieb^ von außen beeinflußbar, insbesondere mit Meßstellenvorwahl über ein Steuergerät/ das Pneumatikventile betätigt. Diese wirken auf einen pneumatischen Schrittschaltmotor ein, der mit einer Umschaltung für die Meßstellen verbunden ist (siehe Fig. 1). Wensentlich ist auch die steckbare Einheit pneumatischer Motor, Druckumschalter, Sensor und Sender, die auf einfachste Weise innerhalb einer Hohlwelle untergebracht werden kann (siehe Fig. 2,5) 20

Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist der Druckumschalter mit einem Drucksensor verbunden und dieses mit einem Sendemodul, das seinerseits mit einer Sendeantenne verbunden ist. Weiterhin ist ein Sendemodul für Temperaturen zur Korrektur der Drucksignal'e vorgesehen. Die Ausgangssignale der Sendemodule werden über eine Sendeantenne übertragen. Die vorbeschriebenen Teile sind im Rotor angeordnet (siehe Fig. 1, linke Hälfte).

Wie Fig. 1 weiter zeigt (siehe rechte Hälfte), ist im Stator eine Empfangsantenne, ein Empfänger, ein Demodulator und ein Demultiplexer miteinander verbunden. Der Demodulator ist mit einer Meßwertan^igB^erbunden,

während der Demultiplexer mit einem Kanalumschalter und 35

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einer Meßwertanzeige für weitere Meßwerte, gegebenenfalls T_f verbunden ist. Aus Fig. 1 ist außerdem noch ersichtlich die Stromversorgung bzw. Spannungseinspeisung für den Verstärker für die Meßwerte und das Sendemodul zur telemetrischen Übertragung der Daten. Hierzu ist eine Induktionsspule im Stator mit einem Oszillator verbunden. Mit der Induktionsspule im Stator gekoppelt ist eine Induktionsspule im Rotor, die ihrerseits mit den Sendemodulen für Druck und Temperatur und/oder anderen Meßwerte verbunden sind, die eine Verbindung zur Sendeantenne aufweisen.

Wenn auch in Fig. 1 nur zwei Kanäle für das Telemetriesystem dargestellt sind, so ist doch selbstverständlich, daß eine Vielzahl von Kanälen für gewünschte Meßwerte wie Drehmoment, Beschleunigung, Dehnung und anderes, erfaßt und übertragen werden können.

In Fig. 2 ist der Aufbau bzw. die Anordnung der Komponenten in einem Versuchsträger ersichtlich. Dabei werden Druckmeßleitungen von verschiedenen Stellen eines rotierenden Prüflings 1 mit einem im Wellenzentrum des Rotors angeordneten DruckmeßStellenumschalter 2 verbunden, der jeweils eine der Druckmeßleitungen auf einen piezoresistiven Drucksensor 3 durchschaltet. Der Antrieb des Meßstellenumschalters erfolgt mittels eines pneumatischen Schrittmotors 4. Schrittmotor und Druckumschalter sind in einem Halte - und Verbindungsteil 5 gehaltert. Die Teile 2 bis 5 sind ineinander steckbar.

Die Schaltluft für den Schrittmotor 4 wird über zwei konzentrisch angeordnete Druckleitungen 6 und 7 zugeführt, die an der Schnittstelle zwischen Rotor und Stator (in Fig. 2 links) verschleißfrei abgedichtet sind. Zur Kodierung des Meßstellenumschalters ist die Schaltluft mit zwei Eingängen desselben verbunden.

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Der Drucksensor 3 wird vom Drucksendemodul mit Spannung versorgt und sein Ausgangssignal wird im Sendemodul in frequenzmodulierte HF-Signale umgewandelt, die berührungslos über eine Sendeantenne vom rotierenden Prüfling zum Stator übertragen werden. Das Sendemodul· hat das Bezugszeichen 8 und die Sendeantenne das Bezugszeichen 9. Die Spannungsversorgung für die Sendemodule erfolgt berührungslos über ein induktiv gekoppeltes Spulensystem mit einer Rotorspule 10 und einer Statorspule 11. Im Stator ist ferner die Empfangsantenne 12 angeordnet. Meßstellenumschalter, Drucksensor, gegebenenfalls andere Sensoren, Sende- und zugehörige Antennenmo'dule sind jeweils durch Halte:- und Verbindungsglieder und/oder -träger miteinander verbunden (ineinander steckbar) und in eine: Hohlwelle der STrömungsmaschine einsteckbar. ■

Um eine hohe Meßgenauigkeit zu erreichen, wird der Einfluß der Zentrifugalkräfte, die in rotierenden Systemen auftreten, auf die Druckmeßleitungen und das darin enthaltene Medium durch Kompensation berücksichtigt. An diese Korrektur muß die Temperatur des Mediums neben der Drehzahl einbezogen werden. Als Meßfühler für die Temperatur dienen Thermoelemente, die entlang der radial verlaufenden Abschnitte der Druckmeßleitungen angeordnet sind. Der Anschluß der Thermoelemente an den Tel·emetrieträger erfolgt steckbar, achszentrahl, vergleiche Fig. 4, links, Bezugsziffer 13. Die Temperaturen, wie sie vom Thermoelement 13 bestimmt werden, werden zusammen mit den Temperaturen von Drucksensor und Druckelektronikeinheit über eine zweite Elektronikeinheit berührungslos als fregüenzmodulierte HF-Signale auf die Statorseite übertragen. Mit den Temperaturen von Drucksensor und Druck-Sendemodul werden deren temperaturabhängige Fehler korrigiert.

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Man erreicht mit diesen. Korrekturmethoden für ein mehrkananliges Druckmeßsystem eine Meßgenauigkeit von +-0,2% vom Meßbereich über den Temperaturbereich im

WeIlenzentrum von etwa 275 - 4OO°K und für Drehzahlen

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bis etwa max. 50 000 min . Die Standzeit das Systems ist nahezu unbegrenzt, da alle Übertragungen von der Rotor- zur Statorseite und umgekehrt berührungsfrei ausgelegt sind und die Komponenten im Rotor vom Stator aus elektrisch versorgt werden. Gleiches gilt für die Pneumatik.

Wesentliche Komponenten des Systems sind in der Fig. 3 bis 7 dargestellt.

Wie Fig. 3 zeigt, ist vor dem Druckumschalter, der mit der Hohlwelle mitrotiert und in einer Spezia^Lhalterung

befestigt ist, ein pneumatischer Schrittmotor 4 angeordnet .

*® In Fig. 4 ist noch zusätzlich ersichtlich, ein Temperatursensor 13, ein Temperatursender 14 und ein Träger 15 für die Telemetrieeinrichtung. über diese wird das Ausgangssignal des mit der Welle mitrotierenden Drucksensors 3 über das Sendemodul zur Sendeantenne geführt. An die HF-Antenne ist gleichzeitig ein Sender zur Übertragung der Meßsignale von einem oder mehreren Thermoelementen angeschlossen.

Der rotierende Druckumschalter ist in den Telemetrieträger 15 eingebaut. Dieser Druckumschalter 2 ermöglicht den Anschluß von einer Vielzahl von Druckmeßstellen und die schrittweise Verbindung dieser Meßstellen mit dem Ausgangskanal. Der Druckumschalter verbindet bei seiner schrittweisen Winkelbewegung um die Rotationsachse =Achse der Hohlwelle, jeweils einen Eingangskanal mit dem Druck-

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sensor. Seine Bewegung wird von dem pneumatischen Schrittmotor z.B. in zehn Winkelgradschritten präzise gesteuert. Im Mittelteil des Schrittmotors befindet sich eine Doppelkammer, deren Trennwand als Kolben dient und hin- und herverschoben werden kann. Der Kolben bewegt die Achse, an deren beiden Enden Zahnscheiben sitzen (vergleiche hierzu Fig. 3). Zwei auf dem Außenmantel des Schrittmotors sichtbare Reihen von Kanälen dienen der wechselseitigen Füllung, jeweils eines Raums auf einer Seite

IQ der Trennwand in der Doppelkammer mit Druckluft. Wird die rechte Lochreihe mit Druck beaufschlagt, weicht der Kolben nach links aus und bringt die Zahnscheibe in die in Fig. 3 gezeigte Stellung. Wird der Schaltdruck auf die linke Lochreihe der Kanäle geleitet, gleitet der Kolben nach rechts. Bei jeder Schaltung greift eineder Zahnscheiben in die entsprechende Zahnung auf dem Zylinder. Durch die Teilung der Zahnung erfolgt dabei jedesmal eine Drehung der Schrittmotorachse um 10 . Ein Mitnehmer auf der Schrittmotorachse bewegt den Umschalter spielfrei. Auch der Druckumschalter ist steckbar in den Telemetrieträger 1"5 integriert. Fig. 5 zeigt die gesamte Druckmeß- und Telemetrieeinrichtung zusammengesteckt als Einheit für den Einbau in einer Hohlwelle 16, die im Versuchsträger 17 und Nabe 18 umläuft.

Die Schaltluft für den pneumatischen Schrittmotor wurde über den Druckleitungen zentrisch in die Hohlwelle geleitet. Beide Leitungen im Rotor sind nur über Luftspalt und Labyrinth abgedichtet. Der Schaltdruck betrug z.B. etwa 2 bar. Druckimpulso; von etwa 30 ms waren zur Betätigung des Schrittmotors ausreichend. Mittels Magnetventilen wurden die Schaltluftleitungen zum Antrieb des Schrittmotors wechselseitig mit Druck beaufschlagt. Die Stromsignale für die Magnetventile und die Druckimpulse für die Schaltluftleitungen erfolgten von einem elektronischen

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1 Steuergerät 20 (siehe Fig. 1). An diesem sind die Meßkanäle wählbar. Die Vorwahl-Tastatur des Steuergeräts ist gegen Fehlbedienung elektrisch verriegelt. Zur Kodierung des MeßStellenumschalters sind die pneumatischen Druckleitungen

5 mit zwei Eingängen desselben eindeutig identifizierbar fest verbunden.

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Claims

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Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erfassung von Meßwerten in rotierenden 15

Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß von einer zentralen Einrichtung zugleich mehrere verschiedenartige Meßwerte erfassbar sind, je nach Ansteuerung von außen; die Meßwerte (mehrkanalig) nach außen

(fern)übertragen und dort elektronisch ausgewertet 20

werden. .-

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß dem pneumatischen Schrittmotor für den Meßstellenumschalter Schaltluft über Druckleitungen zuführbar ist, die verschleißfrei abgedichtet im Bereich eines gehäusefesten Lagerteils angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Schrittmotor den Druckumschalter bei seiner schrittweisen Winkelbewegung

!0 jeweils einem Eingangskanal für Meßwerte mit dem Drucksensor verbindet.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor, Druckumschalter, MeßwertverstärKer und das Sendemodul für die telemetrische Meßdat:nfernÜbertragung eine Spannungsversorgung im Brreich eines anderen gehäusefesten Lagerteils aufweiten/ die aus induktiv gekoppelten, jedoch berührt:.igslos zueinander angeordneten, Spulen besteht.

5. Vorrichtung nach einem de." vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, d.:ß die Einzelteile gemäß Datenerfassung, der Meßstollenumschaltung und das Sendemodul der Datenfernmertragung als streckbare Einheit ausgebildet und ir, einer Hohlwelle angeordnet sind.

6.-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,' daß die Druckleitungen für die Schaltluftzufuhr zum ießStellenumschalter zur Kodierung desselben mit zwei Eingängen des Umschalters verbunden sind.

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7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturmeßelemente den Druckleitungen für die Schaltluftzufuhr zugeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßwerte als Korrektursignale etwaige temperaturbedingte Abweichungen der Druckmeßwerte einer Auswerteelektronik telemetrisch zugeführt und dort überarbeitet werden.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß " Datenerfassung,-Übertragung und die Auswerteelektronik mehrkanalig ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente für Druck, Temperatur, sowie gegebenenfalls weiterer Meßelemente in axialer Richtung hintereinander bzw. ineinander steckbar ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die steckbare Einheit an einem axialen Ende die Druckleitungen für die Schaltluftzufuhr angeordnet enthält und am gleichen oder entgegengesetzt gelegenen axialen Ende Spulen für die elektrische Leistungsversorgung (Einspeisung) und Antennen für die Signalübertragung aufweist.

12. Schaltungsanordnung für eine vielkanalige Erfassung, Übertragung und Auswertung von Meßwerten im rotierenden Systemen. , gekennzeichnet durch Meßwertaufnehmer

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(Sensoren) ausschließlich im rotierenden Teil, berührungslose Datenfernübertragung und Datenempfang und Auswertung ausschließlich im Stator

des rotierenden Systems wie Strömungsmaschine. 5

13. Schaltanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein pneumatischer Schrittschalter einem Druckumschalter für die Meßstellen zugeordnet ist, deren Sensoren ihrerseits mit Sende-modul und Sende..-antenne verbunden sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Schaltmotor von pneumatischen Ventilen ansteuerbar ist, die

ihrerseits ihre Schaltbefehle von einem elektronischen Steuergerät erhalten, das mit den Ventilen verbunden ist.

15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsantenne mit einem Meßdatenempfänger verbunden ist, der mit einem Demultiplexer und einer Anzeige verbunden ist und daß ein Oszillator zur Speisestromzufuhr mit der Induktionsspule des Stators verbunden ist.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Datenempfänger verbundene Demultiplexer andererseits mit einem Kanalumschalter für verschiedene Meßwerte verbunden ist.

17. Verwendung einer mehrkanaligen Präzisionsmeßanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Strömungsturbine, insbesonder einer Gasturbine mit mehreren Wellen und wenigstens einer Hohlwelle,

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der die Meßfühler (Sensoren) zugeordnet sind sowie Meßwertabnehmer (Meßköpfe) und eine Einrichtung zur Datenfernübertragung.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß in einerRotorscheibe einer Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, Strömungsmessungen in einem beschaufelten Rotor mit Deckscheiben durchgeführt werden, wobei zugleich eine Vielzahl von Messungen durchgeführt werden und wenigstens eine dieser Messungen eine Druckmessung ist, die während des Laufs des Rotors von außen steuerbar (pneumatisch umschaltbar) durchgeführt wird.

1^. Vorrichtung zur Messung von Drücken in rotierenden Anordnungen (Systemen) von Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, mit wenigstens einem gehäuseseitigen Lagerteil und wenigstens einer darin drehbar gelagerten Welle für einen Rotor, verschiedenen , .

Meßstellen für Druckmessungen mit Sensoren und einem pneumatisch/elektrischen Meßstellenumschalter, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Hohlwelle achszentral angeordnet sind:

ein rotierender Druckmeßstellenumschalter, 25

ein pneumatischer Schrittmotor für den mitrotierenden, MeßStellenumschalter,

ein Halte- und Verbindungsteil für den Umschalter, ein Drucksensor,

ein Meßwertsender für telemetrische Datenfernüber-30

tragung des Drucksignals,

ein Meßwertsender zur übertragung von Temperaturen zur Korrektur des Drucksignals,

ein Träger für die Sendemodule und eine Antenne und

eine Spannungsversorungsspule hierfür, 35

während die Empfangsantenne für die Daten im Bereich des Stators (gehäuseseitig) angeordnet ist.

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