DE3629013A1 - Vorrichtung zur feststellung der axialbewegung eines sich drehenden bauteils - Google Patents
Vorrichtung zur feststellung der axialbewegung eines sich drehenden bauteilsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Messung der Axialbewegung eines sich drehenden Bauteils
und insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf die Messung der Axialbewegung von Rotorschaufeln
bei einer Rotationsmaschine, beispielsweise der Kompressorschaufeln
eines Gasturbinentriebwerks.
Rotierende Bauteile führen außer ihrer Drehbewegung
um ihre Drehachse oft auch noch eine Axialbewegung
aus und es ist notwendig, eine Anzeige des Ausmaßes
und der Richtung der Axialbewegung der sich drehenden
Bauteile zu vermitteln.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Feststellung
axialer Schwingungen eines sich drehenden Bauteils
sind in der US-PS 10 09 979 beschrieben. Hierbei wird
ein Magnet benutzt, der am Umfang des sich drehenden
Bauteils angeordnet ist und ein stationärer leitfähiger
Draht wird im radialen Abstand von dem sich drehenden
Bauteil angeordnet. Der leitfähige Draht besteht
aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen
parallelen Stangen, die unter einem Winkel von 45° Grad
gegenüber der Drehachse angestellt sind. Wenn
der Magnet in der Nähe des leitfähigen Drahtes vorbeiläuft,
wird eine E.M.K. in dem Draht erzeugt, so
daß eine Wechsel-E.M.K. bestimmter Frequenz erzeugt
wird. Vibrationen verursachen eine Veränderung der
Frequenz der E.M.K., die durch den den leitfähigen
Draht kreuzenden Magneten erzeugt wird.
Eine zweite Vorrichtung und ein weiteres Verfahren
zur Messung der Axialbewegung eines sich drehenden
Bauteils verwendet einen Magneten, der am Umfang des
sich drehenden Bauteils angeordnet ist, während ein
stationärer leitfähiger Draht radial von dem sich
drehenden Bauteil im Abstand angeordnet ist. Der leitfähige
Draht besteht aus drei Stangen, wobei zwei
Stangen parallel zueinander in Axialrichtung verlaufen,
während die dritte Stange diagonal zwischen den
anderen beiden Stangen unter einem Winkel von 45° Grad
verläuft, um einen Z-Gestalt zu bilden, Wiederum
wird ein E.M.K.-Impuls in dem Draht erzeugt, wenn
der Magnet diesen leitfähigen Draht kreuzt. Die Axialbewegung
des sich drehenden Bauteils veranlaßt den
Punkt, an dem der Magnet die dritte Stange kreuzt,
sich zu ändern und demgemäß bewegt sich die Lage des
erzeugten E.M.K.-Impulses mit der Zeit relativ zu
den Impulsen von der ersten und zweiten Stange. Die
Axialstellung des Magneten und des sich drehenden Bauteils
kann durch das Verhältnis der Zeit zwischen den
Impulsen von der ersten und dritten Stange zu der
Zeit zwischen den Impulsen von erster und zweiter
Stange und dadurch berechnet werden, daß eine Multiplikation
mit einem Eichfaktor stattfindet, der gleich
ist der Breite des Z-förmig gestalteten leitfähigen
Drahtes.
Diese zweite Vorrichtung wird in Verbindung mit einem
Oszilloskop benutzt, jedoch besitzt sie den Nachteil,
daß der Impuls von der dritten Stange schwierig
festzustellen ist, weil die Amplituden der Impulse
nicht gleich sind und die Auflösung ist daher nicht
gut. Auch arbeitet die Vorrichtung an den Rändern
der Stangen nicht linear, wo diese verbunden sind,
weil die Impulse ineinander übergehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zu schaffen, durch die die Axialbewegung
eines sich drehenden Bauteils festgestellt werden
kann, wobei die E.M.K.-Impulse leichter festzustellen
sind und die Auflösung verbessert wird.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur
Feststellung der Axialbewegung eines sich drehenden
Bauteils mit einem leitfähigen Draht, der radial im
Abstand von dem sich drehenden Bauteil angeordnet ist,
wobei der sich drehende Bauteil wenigstens einen
Magneten aufweist, der beim Durchlauf in der Nähe
des leitfähigen Drahtes eine gepulste E.M.K. in dem
leitfähigen Draht immer dann erzeugt, wenn der Magnet
den leitfähigen Draht kreuzt.
Hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst,
daß der leitfähige Draht einen ersten Schenkel, einen
zweiten Schenkel und einen dritten Schenkel aufweist,
die miteinander verbunden sind und sich mit
axialen und in Umfangsrichtung verlaufenden Komponenten
erstrecken, wobei der erste Schenkel und der
dritte Schenkel sich in Umfangsrichtung in entgegengesetzter
Richtung zum dem zweiten Schenkel erstrecken,
um die Auflösung zwischen den gepulsten elektromotorischen
Kräften zu erhöhen, die erzeugt werden,
wenn der Magnet den ersten, zweiten und dritten Schenkel
kreuzt und wobei die Zeit zwischen den gepulsten
elektromotorischen Kräften sich ändert und die Axialstellung
des sich drehenden Bauteils anzeigt und
daß der erste, der zweite und der dritte Schenkel
des leitfähigen Drahtes je zwei parallel geschaltete
Stäbe umfassen, um positiv und negativ gepulste elektromotorische
Kräfte zu erzeugen, die einen Null-
Kreuzungspunkt immer dann bilden, wenn ein Schenkel
des leitfähigen Drahtes durch den Magneten überkreuzt
wird, wobei die Null-Kreuzungspunkte eine genauere
Feststellung ermöglichen.
Der erste Schenkel und der dritte Schenkel können sich
parallel zueinander erstrecken und der erste, zweite
und dritte Schenkel können im Winkel von im wesentlichen
45° Grad gegenüber der Drehachse angestellt
sein. Die Enden der Schenkel können in Umfangsrichtung
im Abstand zueinander angeordnet sein, um eine
Überlappung zu vermindern und um die E.M.K.-Impulse
von benachbarten Schenkeln auszulöschen.
Das sich drehende Bauteil kann ein Rotor eines Axialströmungskompressors
oder einer Turbine sein und der
Magnet wird dabei an der Spitze einer der Schaufeln
des Rotors angebaut und er wird wenigstens teilweise
von dem leitfähigen Draht umgeben.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht
eines Gasturbinentriebwerks mit der
Vorrichtung zur Feststellung der Axialbewegung
des Rotors;
Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teilschnitt
des Kompressors des Gasturbinentriebwerks
nach Fig. 1 und der Vorrichtung
zur Feststellung der Axialbewegung des
Rotors, die einen Magneten und einen
leitfähigen Draht umfaßt;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen leitfähigen
Draht zur Benutzung in Verbindung mit
der Vorrichtung zur Feststellung der
Axialbewegung eines sich drehenden Bauteiles;
Fig. 4 u. 5 graphische Darstellung der Spannung in
Abhängigkeit von der Zeit für den Ausgang
der leitfähigen Drähte bzw. ein typisches
Ausgangssignal, welches auf einem
Oszilloskop beobachtet werden kann;
Fig. 6 in größerem Maßstab eine Ansicht des
leitfähigen Drahtes.
In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk 10 dargestellt,
welches in Strömungsrichtung hintereinander einen Einlaß
12, einen Fan 14, einen Kompressor 20, eine Verbrennungseinrichtung
24, eine Turbine 26 und eine Abgasdüse
28 umfaßt. Ein Fangehäuse 16 umschließt den
Fan 14 und bildet einen Nebenstromkanal 18 zusammen
mit einem Teil des Außengehäuses 34 des Kompressors
20. Der Kompressor 20 weist einen Rotor 30 auf, der
mehrere axial beabstandende Stufen von Rotorschaufeln
32 trägt und das Kompressorgehäuse 36 trägt mehrere
im axialen Abstand zueinander angeordnete Statorschaufelstufen
38. Die Stufen der Schaufeln 32 und
38 wechseln sich axial ab.
Eine Vorrichtung 40 zur Feststellung der Axialbewegung
des Rotors 30 umfaßt einen Magneten 44, der
in der Spitze 42 einer Rotorschaufel 32 eingebaut
ist und außerdem einen leitfähigen Draht 48, der radial
von der Spitze 42 der Rotorschaufeln 32 distanziert
und innerhalb einer Ringnut 46 angeordnet ist,
die auf der inneren Oberfläche des Innengehäuses 36
ausgebildet ist, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich
wird.
Der leitfähige Draht 48 ist deutlicher in Fig. 3
dargestellt und er umfaßt einen ersten Schenkel 50,
einen zweiten Schenkel 52 und einen dritten Schenkel
54, die in Reihe geschaltet sind und sich mit axialen
und in Umfangsrichtung gerichteten Komponenten erstrecken.
Wie ersichtlich, erstrecken sich der erste
Schenkel 50 und der dritte Schenkel 54 in Umfangsrichtung
entgegengesetzt zu dem zweiten Schenkel 52
und der erste und dritte Schenkel liegen parallel,
obgleich dies nicht unbedingt erforderlich ist. Jeder
der drei Schenkel wird von zwei parallelen Stangen
50 a, 50 b, 52 a, 52 b bzw. 54 a, 54 b gebildet, die
in Reihe miteinander geschaltet sind. Der leitfähige
Draht besitzt Ausgangsklemmen 56, die an den Schenkeln
50 und 54 liegen.
Der leitfähige Draht wird auf einem Isoliermaterial
58 oder in diesem angeordnet, beispielsweise wird
eine Kupferbahn entsprechender Form auf einem mit
Kupfer abgedeckten Polyimid-Film, beispielsweise
aus Kapton (Warenzeichen Dupont) ausgebildet, wobei
die für bedruckte Schaltungen übliche Technologie
benutzt werden kann, d. h. es werden die nicht
erforderlichen Kupferteile vom Polyimid-Film weggeätzt.
Die Kupferspur kann dann mit einer weiteren
Schicht aus einem Polyimid-Film abgedeckt werden
und der Polyimid-Film mit der Kupferspur kann in
den Ringnuten 46 im inneren Gehäuse 36 mittels eines
Epoxyd-Harzes befestigt werden, beispielsweise
mit M-Bond 610 (Warenzeichen) oder mit einem geeigneten
anderen Klebemittel. Die Ringnuten können in
abschleifbaren Auskleidungen des Innengehäuses angeordnet
werden. Eine glasfaserverstärkte Plastik-
Printplatte oder irgendein anderes geeignetes
Isoliermaterial könnte anstelle des Polyimid-Films
benutzt werden und es kann auch anderes elektrisches
leitfähiges Material benutzt werden, um die Leiterbahnen
zu bilden. Der Polyimid-Film und das Epoxyd-
Klebemittel wurde gewählt, weil sie auch noch bei
Temperaturen bis zu 350°C ein zufriedenstellendes
Verhalten zeigen. Diese Temperaturen werden im Kompressor
eines Gasturbinentriebwerks angetroffen.
Wenn sich der Kompressorrotor im Betrieb dreht, dann
läuft der in der Schaufelspitze 42 einer Schaufel
32 angeordnete Magnet 44 in der Nähe des leitfähigen
Drahtes 48 vorbei und erzeugt eine gepulste
E.M.K. in dem leitfähigen Draht immer dann, wenn der
Magnet den leitfähigen Draht kreuzt. Der Magnet
kreuzt die Schenkel 50, 52 und 54, und jeweils, wenn
der Magnet einen Schenkel kreuzt, kreuzt er die beiden
jeweiligen Stangen und erzeugt eine positive
bzw. eine negative gepulste E.M.K.. Diese positiven
und negativen gepulsten E.M.K.s kombinieren sich
und erzeugen einen Null-Kreuzungspunkt 60 zwischen
sich, wie aus Fig. 4 ersichtlich. Die Nullkreuzpunkte
sind sehr viel leichter festzustellen als
ein einziger Impuls der E.M.K. und zwar entweder
visuell auf einem Oszilloskop oder elektronisch.
Wenn der Rotor axial fest bleibt, dann folgt der
Magnet einem Pfad A und ein Ausgangssignal, welches
von den Ausgangsklemmen abgenommen und einem Oszilloskop
zugeführt wird, würde wie aus Fig. 4 ersichtlich
aussehen. Die gepulsten E.M.K.s und die
Null-Kreuzungspunkte von jedem Schenkel verbleiben
bei einem festen Zeitintervall zwischeneinander,
wenn das Triebwerk mit konstanter Drehzahl läuft.
Das Zeitintervall zwischen den Null-Kreuzungspunkten
vom ersten Schenkel und Null-Kreuzungspunkten
vom zweiten Schenkel ist T und das Zeitintervall
zwischen dem Nullkreuzpunkt des ersten Schenkels
und dem Nullkreuzpunkt des dritten Schenkels ist
T 2.
Aus der Geometrie des leitfähigen Drahtes wird
die Axialbreite des leitfähigen Drahtes D und die
Axialstellung des dem Pfad A folgenden Magneten
wird S, wie aus Fig. 6 ersichtlich. Die Breite D
wird durch Extrapolation der Mittellinien der Schenkel
50, 52 und 54 erreicht, bis sie sich an den
Punkten X und Y kreuzen und D ist der axiale Abstand
zwischen den Überkreuzungspunkten.
Die Axiallage des Magneten kann aus der Gleichung
gefunden werden.
Dies gilt für den Mittelpunkt des Drahtes, aber es
hört an den Rändern auf, gültig zu sein, wenn es notwendig
ist, eine Eichtechnik zu benutzen.
Weil die Schenkel in einem Winkel von 45° Grad gegenüber
der Axialrichtung angestellt sind, wird S
ein Maß der Axialstellung des Magneten und des Rotors
relativ zur Oberseite des leitfähigen Drahtes, wie
dies dargestellt ist.
Wenn sich der Rotor axial bewegt, dann folgt der
Magnet einem anderen Pfad, beispielsweise dem Pfad
B gemäß Fig. 3 und ein Ausgangssignal, welches an den
Ausgangsklemmen abgenommen wird, ergibt sich, wie aus
Fig. 5 ersichtlich, auf einem Oszilloskop. Das Zeitintervall
T 2 bleibt das gleiche, aber das Zeitintervall
zwischen dem Null-Kreuzungspunkt des ersten Schenkels
und dem Null-Kreuzungspunkt des zweiten Schenkels
ändert sich nach T 1′. Um die neue Axialstellung von
Magnet und Rotor zu erhalten, wird T 1 in den obigen
Gleichungen durch T 1′ ersetzt.
Die Schenkel 50, 52 und 54 sind sämtlich unter dem
gleichen Winkel gegenüber der Rotorachse angestellt,
um gepulste E.M.K.s gleicher Größe zu erhalten und
der erste und der dritte Schenkel sind in Gegenrichtung
zu dem zweiten Schenkel so angestellt, daß die
gepulsten E.M.K.s vom ersten und dritten Schenkel
sich zeitlich mit der Axialstellung des Magneten im
Gegensinn zu der gepulsten E.M.K. vom zweiten Schenkel
ändern, wodurch die Auflösung verdoppelt wird.
Die Wahl des Winkels für die Schenkel ist ein Kompromiß
zwischen der theoretischen Auflösung und der Impulsfeststellung.
Wenn der Winkel der Schenkel gegenüber
der Rotorachse ansteigt, steigt die Auflösung
an, aber die gepulsten E.M.K.s werden breiter und
es wird schwieriger, sie festzustellen. Der Winkel
von 45° Grad stellt einen Kompromiß zwischen diesen
beiden dar.
Die Ausgangsklemmen des leitfähigen Drahtes können
an einen Verstärker angeschlossen werden, der ein
verstärktes Signal erzeugt, welches auf einem Oszilloskop
dargestellt werden kann, um eine Spur ähnlich
jener nach Fig. 4 und 5 zu erzielen. Das Signal
braucht nicht ausgefiltert zu werden, wie dies beim
Stande der Technik erforderlich ist.
Die Null-Kreuzungspunkte können elektronisch festgestellt
werden und es können Digitalimpulse erzeugt
werden und diese können einem Zeitgeber und einem
Mikroprozessor zugeführt werden, wobei sie benutzt
werden können, um die Axialstellung des Magneten gegenüber
einer geeigneten Bezugslinie festzustellen,
wie dies vorstehend beschrieben wurde.
Die Vorrichtung zur Feststellung der Axialbewegung
eines sich drehenden Bauteils besitzt verschiedene
Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die Vorrichtung
erzeugt Null-Kreuzungspunkte, die leichter
festzustellen sind und genauer sind als ein Spitzenwert
und es wird auch die Möglichkeit geschaffen,
elektronische Vorrichtungen zu benutzen, um die Null-
Kreuzungspunkte festzustellen. Die Winkelanstellung
der Schenkel in Gegenrichtungen erhöht die Auflösung
der Vorrichtung. Die verbesserte Feststellung der
Null-Kreuzungspunkte erlaubt die Benutzung der Vorrichtung
mit größerem radialem Spiel und dadurch
wird die Gefahr der Beschädigung des Drahtes vermindert
oder es kann die Vorrichtung auch benutzt werden,
wenn die Drehzahl des Rotors relativ niedrig
ist. Bei geringen Drehzahlen fallen die E.M.K.-Impulse,
die durch den vorbeilaufenden Magneten erzeugt
werden, auf weniger als 10 µV ab, aber die
Feststellung der Null-Kreuzungspunkte ist dennoch
möglich und gegenwärtig begrenzt die Signalverarbeitungseinrichtung
die untere Geschwindigkeitsgrenze
auf 160 Drehungen pro Minute.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Festellung der Axialbewegung eines
sich drehenden Bauteils mit einem leitfähigen Draht,
der radial im Abstand von dem sich drehenden Bauteil
angeordnet ist, wobei der sich drehende Bauteil wenigstens
einen Magneten aufweist, der beim Durchlauf
in der Nähe des leitfähigen Drahtes eine gepulste
E.M.K. in dem leitfähigen Draht immer dann erzeugt,
wenn der Magnet den leitfähigen Draht kreuzt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der leitfähige Draht (48) einen ersten Schenkel
(50), einen zweiten Schenkel (52) und einen dritten
Schenkel (54) aufweist, die miteinander verbunden sind
und sich mit axialen und in Umfangsrichtung verlaufenden
Komponenten erstrecken, wobei der erste Schenkel
(50) und der dritte Schenkel (54) sich in Umfangsrichtung
in entgegengesetzter Richtung zu dem zweiten Schenkel
(52) erstrecken, um die Auflösung zwischen den gepulsten
elektromotorischen Kräften zu erhöhen, die
erzeugt werden, wenn der Magnet (44) den ersten, zweiten
und dritten Schenkel kreuzt und wobei die Zeit
zwischen den gepulsten elektromotorischen Kräften
sich ändert und die Axialstellung des sich drehenden
Bauteils anzeigt und daß der erste, der zweite und
der dritte Schenkel des leitfähigen Drahtes je zwei
parallel geschaltete Stäbe (50 a, 50 b, 52 a, 52 b, 54 a,
54 b) umfassen, um positiv und negativ gepulste elektromotorische
Kräfte zu erzeugen, die einen Null-Kreuzungspunkt
(60) immer dann bilden, wenn ein Schenkel
des leitfähigen Drahtes durch den Magneten überkreuzt
wird, wobei die Null-Kreuzungspunkte eine genauere
Feststellung ermöglichen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Schenkel und der dritte Schenkel parallel
zueinander verlaufen.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste, der zweite und der dritte Schenkel im
wesentlichen unter 45° Grad gegenüber der Drehachse
angestellt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Enden der Schenkel in Umfangsrichtung im Abstand
zueinander verlaufen, um die Überlappung und
die Auslöschung der gepulsten elektromotorischen Kräfte
benachbarter Schenkel zu vermindern.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der rotierende Bauteil der Rotor eines Axialströmungskompressors
oder einer Turbine ist und daß der
Magnet an der Spitze einer der Schaufeln des Rotors
befestigt ist und wenigstens teilsweise von dem leitfähigen
Draht umschlossen wird.
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