DE4122651A1 - Verfahren und vorrichtung zur drehmomentmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentrieb­ werke und insbesondere auf ein Drehmomentmeßverfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Ausgangsleistung eines Gasturbinentriebwerks.

Es ist im allgemeinen wünschenswert, die Ausgangsleistung eines Gasturbinentriebwerks zu kennen. Es ist bekannt, daß diese Ausgangsleistung ermittelt werden kann, indem das Drehmoment gemessen wird, das durch eine Welle entwickelt wird, die sich durch das Triebwerk erstreckt und auf der die verschiedenen Komponenten des Triebwerks angebracht sind, wie beispielsweise die Verdichterschaufeln und die Turbinenschaufeln. Das Drehmoment kann dadurch ermittelt werden, daß die Verwindung oder die Winkelauslenkung der Triebwerkswelle zwischen einem Einlaß- oder Vorderende des Triebwerks und einem Abgasende gemessen wird. Es war bisher bekannt, die Winkelstellung der Welle ermittelnde Sensoren an jedem Wellenende anzubringen und die Verwindung oder die Winkelauslenkung des Drehmomentes unter Verwendung dieser Einrichtungen zu messen. Die Wellenstellungssensoren sind jedoch im allgemeinen teuer und sind in der Anwendung zu­ nehmend schwieriger geworden, als die Größe der Gasturbinenwerke zunahm. Es ist deshalb wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Drehmomentes, das von einem Gasturbinentriebwerk entwickelt wird, und seiner entsprechenden Ausgangsleistung zu entwickeln, ohne daß die teuren Wellenstellungssensoren erforderlich sind.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um die Ausgangsleistung eines Gasturbinentriebwerks ohne die Verwendung von Stellungs- bzw. Positionssensoren zu ermitteln. Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen werden, um die Ausgangsleistung eines Gasturbinentriebwerkes zu ermitteln, ohne daß zusätzliche Abtasteinrichtungen für das Triebwerk hinzugefügt werden müssen.

Gemäß der Erfindung werden ein Verfahren und eine Einrich­ tung geschaffen zur Ermittlung der Ausgangsleistung eines Gasturbinentriebwerks, wobei ein Drehzahlsensor, der mit der Triebwerkswelle verbunden ist, und ein Signal verwendet werden, das durch ein mit der Triebwerksturbine verbundenes Pyrometer entwickelt wird, um die Triebwerkstemperatur zu ermitteln. Der Drehzahlsensor ist normalerweise in dem Triebwerk vorgesehen, um die Wellendrehzahl zu ermitteln, und ist Teil des Steuer- bzw. Regelsystems für das Trieb­ werk. Das Pyrometer ist ebenfalls als Teil des Steuer- bzw. Regelsystems vorgesehen, um Temperaturen der Gasturbine zu überwachen. Gemäß der Erfindung wird ein Signal von dem Drehzahlsensor, das von einem mit Zähnen versehenen Rad ab­ geleitet wird, das neben dem Sensor vorbeiläuft, verarbei­ tet, um eine Kette von Pulssignalen zu erhalten, die eine Winkeldrehung der Triebwerkswelle darstellen. Das Pyrometer ist neben wenigstens einer der Turbinenscheiben des Trieb­ werks angebracht, um die augenblickliche Temperatur jeder Schaufel der Turbinenscheibe abzutasten, wenn diese an dem Pyrometer vorbeiläuft. Das von dem Pyrometer entwickelte Signal ist deshalb ein Signal mit Spitzenwerten, die dem Vorbeilauf jeder Schaufel an dem Pyrometer entsprechen. Eine Signalkonditioniereinrichtung bearbeitet das Signal von dem Pyrometer, um eine Pulskette von geformten Signalen zu entwickeln, die der Winkelstellung von jeder Turbinen­ schaufel entsprechen, wenn diese an dem Pyrometer vorbei­ läuft. Das System ermittelt die relative Phasendifferenz zwischen den Signalen, die durch den Drehzahlsensor entwic­ kelt sind, und denjenigen Signalen, die auf dem Pyrometer bei niedrigen Lastzuständen entwickelt sind, und es spei­ chert diese Informationen als einen Phasendifferenz-Refe­ renzwert. Unter Lastbedingungen wird jede Verwindung (Torsion) in der Triebwerkswelle eine zusätzliche Phasenverschiebung zwischen den Signalen von dem Drehzahlsensor und denjenigen von den Pyrometern zur Folge haben, und diese Phasendifferenz kann mit der anfangs gespeicherten Phasendifferenz verglichen werden, um den Betrag der Verwindung in der Triebwerkswelle zu ermitteln. Der Verwindungsgrad ist direkt proportional zu dem Drehmoment, das von der Triebwerkswelle entwickelt wird. Das von der Triebwerkswelle entwickelte Drehmoment ist direkt proportional zur Ausgangsleistung des Triebwerks. Demzufolge schafft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Triebwerksleistung unter Verwendung vorhandener Hardware und Signalen, die in dem Triebwerk von einem Drehzahlsensor entwickelt werden, und einem Pyrometer und vermeidet das Erfordernis für zusätzliche Hardware, um die Winkelstellung der Welle abzutasten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein vereinfachter Längsschnitt von einem als Beispiel gezeigten Gasturbinentriebwerk und stellt die Lage des Drehzahlsensors und des Pyrometers in bezug auf die Triebwerkswelle dar.

Fig. 2 ist eine vereinfachte schematische Darstel­ lung des Drehzahlsensors und des Pyrometers, die Signale für die Zufuhr zu einer elektronischen Einrichtung erzeu­ gen, um aus den Signalen das Ausgangsdrehmoment zu erhal­ ten.

Fig. 1 ist ein vereinfachter Teilquerschnitt von einem ummantelten Fan-Gasturbinentriebwerk 10, das in Ver­ bindung mit der Erfindung verwendet werden kann. Das Trieb­ werk 10 ist in seinen oberen und unteren Hälften im wesent­ lichen identisch, so daß nur die obere Hälfte im wesentli­ chen oberhalb der Mittellinie 9 gezeigt ist. Das Triebwerk 10 enthält einen ummantelten Fan bzw. Bläser 12, Zwischen- und Hochdruck-Verdichterabschnitte 12 bzw. 16, eine Brenn­ kammer 18, eine Turbinenstufe 20 und eine Abgasdüse 22. Die Turbinenstufe 20 kann in Hoch-, Nieder- und Zwischenab­ schnitte unterteilt sein, um Leistung für den Bläser 12 und die Verdichterabschnitte 14 und 16 über entsprechende Ele­ mente der Mittelwelle 24 zu liefern. Von dem Bläser 12 und den Verdichterabschnitten 14 und 16 verdichtete Luft wird mit Brennstoff gemischt und in der Brennkammer 18 ver­ brannt. Die Verbrennungsprodukte expandieren durch diese Turbinenstufe 20 und werden durch die Düse 22 ausgestoßen. Antriebsschub wird durch Luft, die durch den Bläser 12 außerhalb des Triebwerks bewegt wird, in Verbindung mit ei­ nem gewissen Schub geliefert, der durch den Ausstoß aus der Düse 22 erzeugt wird.

Nahe dem Vorderende des Triebwerks 10 ist ein Drehzahlsen­ sor 26 angeordnet, der neben einem mit Zähnen versehenen Rad 28 auf der Welle 24 angebracht ist. Der Drehzahlsensor 26 liefert Ausgangssignale, die die Drehgeschwindigkeit der Welle 24 anzeigen. Das Drehzahlsignal wird im allgemeinen von der Regeleinrichtung des Triebwerks (nicht gezeigt) verwendet, um Überdrehzahlzustände zu verhindern und den Brennstofffluß zum Triebwerk in bekannter Weise zu steuern bzw. zu regeln. Das Triebwerk 10 enthält typisch auch ein Pyrometer 30, das neben wenigstens einer der mit vielen Schaufeln versehenen Turbinenscheiben 32 in der Turbinen­ stufe 20 angebracht ist. Das Pyrometer ist typisch ein op­ tisches Pyrometer, das ein amplitudenmoduliertes Signal liefert, das die Temperatur von jeder der Turbinenschaufeln von wenigstens einer der Scheiben 32 anzeigt, wenn jede Schaufel an dem Pyrometer vorbeiläuft. Das Ausgangssignal des optischen Pyrometers ist amplitudenmoduliert, da es sich mit Spitzenwerten in Koinzidenz mit der großen Nähe von jeder der Turbinenschaufeln zum Pyrometer ändert, d. h. das Ausgangssignal hat seinen höchsten Wert, wenn die Schaufeln an ihrem nahesten Punkt zum Pyrometer sind, und es hat seinen niedrigsten Wert etwa bei einer mittleren Schaufelposition, wenn die Schaufeln sich an dem Pyrometer vorbeidrehen.

Es wurde gefunden, daß die Signale, die durch den Drehzahl­ sensor 26 und das optische Pyrometer 30 entwickelt werden, Signale bilden, die die Winkelstellung der Welle 24 an zwei unterschiedlichen Stellen darstellen. Durch die Verwendung von Pulsformungstechniken können erfindungsgemäß aus dem Drehzahlsensorsignal und dem Pyrometersignal erste und zweite Sätze von Pulsketten abgeleitet werden, die dazu verwendet werden können, die Winkelposition von Punkten auf der Triebwerkswelle zu ermitteln. Das Rad 28 hat mehrere Zähne, die in Umfangsrichtung und mit gleichförmigem Ab­ stand um die Triebwerkswelle 24 herum nahe dem Vorder- oder Einlaßende des Triebwerks angeordnet sind. Die Turbinen­ schaufeln sind ebenfalls in Umfangsrichtung und gleichför­ mig im Abstand um die Turbinenwelle herum nahe dem Ab­ gasende des Triebwerks angeordnet. Um diese zwei Sätze von Pulskettensignalen auszunutzen für die Anzeige des Wellen­ drehmomentes, ist es lediglich notwendig, die Phasenrela­ tion zwischen den zwei Signalen bei einem bestimmten vorge­ wählten kleinen Drehmomentwert, zu bestimmen wie er bei­ spielsweise beim Triebwerks-Start auftreten könnte. Wenn danach das Triebwerk bis zum belasteten Zustand hochgefah­ ren wird, kann die Phasendifferenz zwischen den zwei Signa­ len bestimmt und mit der ursprünglichen Phasendifferenz verglichen werden, um den Grad an Verwindung in der Trieb­ werkswelle zu erhalten. Da die Verwindung direkt proportio­ nal zum Drehmoment ist, wird die Phasenverschiebung, wenn das Triebwerk in den belasteten Zustand gebracht wird, di­ rekt proportional zum Drehmoment des Triebwerks. Weiterhin ist das Triebwerks-Drehmoment direkt proportional zur Aus­ gangsleitung des Triebwerks. Die Umwandlung von Drehmoment in Ausgangsleistung kann unter Verwendung üblicher, bekann­ ter Umwandlungstechniken durchgeführt werden.

In Fig. 2 ist eine vereinfachte schematische Darstel­ lung von einer Einrichtung zum Entwickeln von Information über das Ausgangsdrehmoment des Triebwerks unter Verwendung des vorgenannten Drehzahlsensors 26 und des Pyrometers 30 gezeigt. Der Drehzahlsensor 26 ist neben einem gezahnten Rad 28 angebracht, das an der Welle 24 so befestigt ist, daß der Drehzahlsensor eine Folge von Pulsen oder ein am­ plitudenmoduliertes Signal liefert, das dem Vorbeilauf je­ des Zahnes 34 des Rades 28 an dem Sensor vorbei entspricht. An dem anderen Ende der Welle 24 laufen die Turbinenschau­ feln 36, die schematisch als Zähne eines Rades dargestellt sind, an dem optischen Sensor 30 vorbei, so daß der opti­ sche Sensor 30 ein amplitudenmoduliertes Signal liefert, das der Temperatur der Schaufeln entspricht, wenn diese an dem Pyrometer vorbeilaufen. Da die Schaufeln 36 bezüglich ihrer Temperatur überwacht werden, hat das Signal aus dem Pyrometer 30 Spitzenwerte, die dem Eintritt jeder Schaufel in das Sichtfeld des Pyrometers entsprechen. Das Signal aus dem Pyrometer 30 und das Signal aus dem Drehzahlsensor 26 werden beide einer Pulsformschaltung 38 zugeführt, die die Signale in Pulsketten umwandelt, in denen die Vorderkante jedes Pulses entweder einem der Zähne 34 auf dem gezahnten Rad 28 oder einer der Schaufeln 36 auf der Turbinenscheibe 32 entspricht. Die Pulsformschaltung 38 kann irgendeine ge­ eignete Einrichtung sein, wie beispielsweise ein Schmitt- Trigger. Obwohl sie nur als ein einzelner Block dargestellt ist, so kann die Pulsformschaltung 38 auch aus zwei ge­ trennten Schaltungsanordnungen bestehen, um zwei getrennte Pulsketten zu entwickeln. Eine erste Pulskette, die Signale aus dem Drehzahlsensor 26 darstellt, und eine zweite Puls­ kette, die die Signale aus dem optischen Pyrometer 30 dar­ stellen, werden in einem Phasenvergleichsblock 40 verei­ nigt, in der die Phasendifferenz zwischen einzelnen Pulsen von jeder Pulskette ermittelt wird. Auch wenn jede Zahnzahl auf dem Rad 28 des Drehzahlsensors verwendet werden kann, so kann der Phasenvergleich dadurch vereinfacht werden, daß ein mit Zähnen oder Kerben versehenes Rad 28 eingesetzt wird, das die gleiche Anzahl von Zähnen oder Kerben hat wie die Anzahl der Schaufeln 36 in der wenigstens einen Turbi­ nenscheibe 32 oder wenigstens ein ganzzahliges Vielfaches dieser Schaufelzahl.

Der Phasenvergleich erfordert auch ein Zeitsignal, das der Phasenvergleichsschaltung 40 von einem bekannten Takt-Os­ zillator 42 zugeführt werden kann. Wenn die Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Pulsketten einmal bei einem kleinen Lastzustand ermittelt worden ist, kann dieser Wert in einer Speicherschaltung (RAM) 44 gespeichert werden zur Verwendung bei einem Vergleich mit anderen Phasendifferen­ zen bei anderen Lastzuständen. Wenn das Triebwerk bis zu ei­ nem vorgewählten Lastzustand hochgefahren worden ist, wird die Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Puls­ ketten ebenfalls durch die Phasenvergleichsschaltung 40 er­ mittelt und mit der Phasendifferenz verglichen, die unter den niedrigen Lastzuständen ermittelt und in der Speicher­ schaltung 44 gespeichert sind. Der Wellendrehmoment-Charak­ teristikblock 46 liefert die Phasendifferenzermittlung aus dem Vergleich der Phasendifferenz bei den zwei unterschied­ lichen Lastzuständen. Diese Phasendifferenzinformation wird dann dem Block 48 zugeführt, der die Phasendifferenz in Wellendrehmoment umwandelt. Die Phasendifferenz ist direkt proportional zu dem Betrag der Verwindung bzw. Torsion in der Triebwerkswelle 24, und diese Torsion ist direkt pro­ portional zu dem Drehmoment, das durch die Turbinenschau­ feln 32 auf die Welle ausgeübt wird. Das Wellendrehmoment ist ferner proportional zur Ausgangsleistung des Trieb­ werks. Demzufolge schafft die in Fig. 2 gezeigte Einrich­ tung ein Verfahren zur Ermittlung der Ausgangsleistung des Triebwerks unter Ausnutzung bestehender, in dem Triebwerk vorhandener Einrichtungen, um andere meßbare Größen zu er­ halten. Das vorstehend beschriebene Verfahren ermittelt die Ausgangsleistung des Gasturbinentriebwerks 10 unter Verwen­ dung des Drehzahlsensors 26, der nahe den Verdichterab­ schnitten 14 und 16 angebracht ist, und des Pyrometers 30, das neben wenigstens einer der viele Schaufeln aufweisenden Turbinenscheiben 32 angebracht ist. Die Triebwerkswelle 24 wird bei relativ niedrigen Lastzuständen gedreht, und es wird ein erster Satz von Signalen aus dem Drehzahlsensor 26 erhalten, die der Winkeldrehung der Welle 24 entsprechen. Ferner wird ein zweiter Satz von Signalen aus dem Pyrometer 30 erhalten, die die Temperatur jeder Schaufel von wenig­ stens einer der Turbinenscheiben 32 darstellen, wenn jede Schaufel an einem vorbestimmten Punkt neben dem Pyrometer vorbeiläuft. Sowohl die ersten als auch die zweiten Signal­ sätze werden durch die Pulsformschaltung 38 konditioniert, um entsprechende erste und zweite Sätze von Pulssignalen zu entwickeln, in denen jedes Pulssignal in dem ersten Satz von Pulssignalen eine ermittelbare erste Phasenlage zu je­ dem Pulssignal in dem zweiten Satz von Pulssignalen hat. Das Triebwerk wird dann unter wenigstens einem anderen, re­ lativ höheren Lastzustand betrieben, und es wird ein weite­ rer erster und zweiter Satz von Signalen erhalten. Nach der Konditionierung sind die weiteren ersten und zweiten Si­ gnalsätze in der Form von entsprechenden Sätzen von Pulssi­ gnalen, die verglichen werden können, um eine andere Pha­ senlage zu ermitteln. Die erste Phasenlage und die weitere Phasenlage werden dann verglichen, um eine Phasendifferenz oder eine Phasenänderung zu erhalten, die der Verwindung oder Torsion in der Welle 24 zurechenbar ist. Die Wellen­ drehmoment-Charakteristikschaltung wandelt dann die Wellen­ verwindung in einen entsprechenden Drehmomentwert um, um die Ausgangsleistung des Triebwerks aus den vorbestimmten Relationen zwischen dem Drehmoment und der Leistung zu er­ mitteln.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ermittlung der Ausgangsleistung eines Gasturbinentriebwerks, das einen damit verbundenen Verdichter, eine Leistungswelle, wenigstens eine mit Schaufeln versehene Turbinenscheibe, die mit der Welle verbunden ist, einen Drehzahlsensor und ein Pyrometer aufweist, gekennzeichnet durch:
Rotieren der Welle unter relativ niedrigen Lastzuständen und Erzeugen eines ersten Satzes von Signalen aus dem Drehzahlsensor, die der Winkelrotation der Welle entsprechen, und eines zweiten Satzes von Signalen aus dem Pyrometer, die die Temperatur jeder Schaufel der Turbinenscheibe entsprechen, wenn jede Schaufel einen vorbestimmten Punkt neben dem Pyrometer durchläuft,
Konditionieren der ersten und zweiten Signalsätze, um entsprechende erste und zweite Sätze von Pulssignalen zu entwickeln, in denen jedes Pulssignal in dem ersten Satz von Pulssignalen eine ermittelbare erste Phasenlage zu jedem Pulssignal in dem zweiten Satz von Pulssignalen hat,
Betreiben des Triebwerks bei wenigstens einem weiteren, relativ höheren Lastzustand und Erzeugen eines weiteren ersten Satzes von Signalen aus dem Drehzahlsensor und eines weiteren zweiten Satzes von Signalen aus dem Pyrometer,
Konditionieren der weiteren ersten und zweiten Signalsätze, um einen weiteren entsprechenden Satz von Pulssignalen zu entwickeln,
Ermitteln einer weiteren Phasenlage zwischen wenigstens einem Puls, der aus dem weiteren ersten Signalsatz entwickelt ist, und wenigstens einem Puls, der aus dem weiteren zweiten Signalsatz entwickelt ist,
Vergleichen der ersten Phasenlage mit der weiteren Phasenlage und Lieferung einer dazwischen bestehenden Differenz,
Ermitteln des Verwindungsgrades in der Turbinenwelle entsprechend der erhaltenen Phasenlagendifferenz und Umwandeln der Wellenverwindung in einen entsprechenden Drehmomentwert, der eine derartige Verwindung (Torsion) hervorruft, zur Ermittlung der Ausgangsleistung des Triebwerks aus vorbestimmten Relationen zwischen Drehmoment und Leistung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer ein amplitudenmoduliertes Signal liefert und bei der Konditionierung das amplitudenmodulierte Signal in eine Kette von Pulssignalen umgewandelt wird, in der jedes Pulssignal einem Spitzenwert in dem amplitudenmodulierten Signal entspricht.

3. Drehmoment-Meßeinrichtung zum Messen des Drehmomentes, das von einem Gasturbinentriebwerk entwickelt wird, das wenigstens eine hindurchführende Welle und wenigstens eine damit verbundene Turbinenscheibe aufweist, die mit zahlreichen Schaufeln versehen ist, gekennzeichnet durch:
einen Drehzahlsensor (26), der in dem Triebwerk neben einem Vorderende der Welle (24) angebracht ist und der einen ersten Satz von Signalen liefert, die die Winkeldrehung der Welle darstellen,
ein Pyrometer (30), das in dem Triebwerk neben der wenigstens einen Turbinenscheibe (32) angebracht ist und das einen zweiten Satz von Signalen liefert, die die Temperatur von jeder Turbinenschaufel (36) darstellen, wenn jede Schaufel an dem Pyrometer vorbeiläuft,
eine Pulsformeinrichtung (38), die die ersten und zweiten Signalsätze empfängt und daraus einen ersten und zweiten Satz von Pulssignalen generiert, die bestimmten Inkrementen der Winkeldrehung des Vorderendes der Welle und dem Vorbeilauf jeder Turbinenschaufel an dem Pyrometer entsprechen,
Mittel (40) zur Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen gewählten ersten Pulssignalen und gewählten zweiten Pulssignalen und
auf die Phasendifferenz ansprechende Mittel (46, 48) zur Ermittlung des an der Welle erzeugten Drehmoments.

4. Drehmoment-Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Welle (24) neben dem Drehzahlsensor (26) ein mit zahlreichen Zähnen bzw. Kerben versehenes Rad (28) angebracht ist, wobei der erste Satz von Signalen dem Vorbeilauf von jedem Zahn (34) an dem Drehzahlsensor (26) entspricht.

5. Drehmoment-Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zähne (34) auf dem Zahnrad (28) ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl von Schaufeln (36) auf der Turbinenscheibe (32) ist.

6. Drehmoment-Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Phasendifferenz ansprechenden Mittel (40) Mittel (44) zum Speichern von Phasendifferenzdaten bei einem vorgewählten Ausgangsdrehmoment des Triebwerks und Mittel (40) zum Vergleichen von Phasendifferenzdaten bei einem unterschiedlichen Ausgangsdrehmoment mit den gespeicherten Differenzdaten zur Ermittlung des Drehmoments des Triebwerks bei dem unterschiedlichen Ausgangsdrehmoment aufweisen.