DE3629013A1

DE3629013A1 - Vorrichtung zur feststellung der axialbewegung eines sich drehenden bauteils

Info

Publication number: DE3629013A1
Application number: DE19863629013
Authority: DE
Inventors: Peter Loftus
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1985-10-02
Filing date: 1986-08-27
Publication date: 1987-04-02
Also published as: GB2181246A; GB8524287D0; US4737709A; JPS6282302A; GB2181246B; FR2588076B1; FR2588076A1

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

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.