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Die Erfindung betrifft einen Sensor für
elektrostatische Ladungen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich,
einen Sensor zum Erfassen von elektrostatischen Ladungen im
Gasstrom einer Gasturbine.
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Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß es moglich ist,
das Vorhandensein von elektrostatischen Ladungen im Gasstrom
einer Gasturbine festzustellen (siehe zum Beispiel die EP-A-
250 845). Trümmerteuchen tragen natürlicherweise eine
elektrostatische Ladung, und durch das Erfassen solcher Ladungen
ist es möglich, den Durchgang von Trümmerteilchen durch ein
Triebwerk zu überwachen. Die Sensoren dafür können an
mehreren Stellen entlang des Gasstromes plaziert werden. Zum
Beispiel kann ein Sensor am Lufteinlaß eines Triebwerks dazu
verwendet werden, eingesaugte Trümmerteilchen festzustellen,
und ein weiterer Sensor am Auslaß dazu, Trümmerteilchen im
Abgas zu erfassen. Die Signale aus diesen Sensoren können zum
Beispiel daraufhin untersucht werden, ob im Inneren des
Triebwerks etwa durch eine Turbinenschaufel, die an einem
feststehenden Teil des Triebwerks reibt, Trümmerteilchen
erzeugt wurden.
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Die Umgebung in einer Gasturbine ist aggressiv,
insbesondere in den Teilen des Triebwerks nach der Brennkammer,
in denen das Abgas eine sehr hohe Temperatur erreicht.
Selbstverständlich muß ein Sensor in diesem Teil des
Triebwerks in der Lage sein, der rauhen Umgebung zu widerstehen,
wenn er von Wert sein soll.
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Eine Sensorform, die bisher verwendet wurde, umfaßt
leitendes Material, das auf die Innenseite des
Triebwerkskörpers aufgesprüht wird und einen Schleifensensor um den
Gasstrom bildet. Solche Sensoren werden mittels
Plasmasprühtechniken aufgebracht. Aufgesprühte Sensoren sind jedoch
elektrisch schwierig anzuschließen und neigen bei Verwendung
der bisher verfügbaren Materialien dazu, in den Gasstrom
abzufallen, wodurch sie selbst Trümmerteilchen im Triebwerk
erzeugen. Ein anderer Schleifensensor ist in der als EP-A-
0 120 087 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung
beschrieben. Dieser Sensor besteht aus einer leitenden
Schleife, die hinter dem Triebwerk angeordnet wird, und ist daher
nur für den Gebrauch bei Bodentests und nicht für die
kontinuierliche Überwachung eines Triebwerks geeignet, das etwa in
ein Flugzeug eingebaut ist. Schleifensensoren können quer zum
Gasstrom den Durchgang von Ladungen an jeder Stelle
feststellen, sie weisen jedoch auch einen großen Sichtwinkel längs
des Gasstromes auf. Es ist zwar wichtig, quer durch den
ganzen Gasstrom zu sehen, um alle Trümmerteilchen darin zu
erfassen, vorteilhafterweise sollte die Sicht längs des
Gasstromes jedoch eng sein, so daß der Sensor nur einen dünnen
Querschnitt durch den Strom sieht. Ein enges Sichtfeld trägt
zur Verringerung des Rauschens im Signal des Sensors bei.
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Eine andere bisher verwendete Form eines Sensors
umfaßt einen Fühler, der in einem Isolierkörper angeordnet ist,
der an einer geeigneten Stelle im Körper des Triebwerks
angebracht werden kann. Diese Sensoren erfassen elektrostatische
Ladungen, die an einem Punkt des Gasstromes vorbeilaufen,
d.h. an dem Punkt, an dem der Sensor angebracht ist. Die
Sensoren weisen generell einen weites konisches Sichtfeld auf,
und es sind oft zwei oder mehr Sensoren erforderlich, damit
sich das Sichtfeld quer über den ganzen Gasstrom erstreckt.
Punktsensoren besitzen also auch den Nachteil, daß das
Sichtfeld längs des Gasstromes groß ist. Punktsensoren können so
konstruiert werden, daß sie der Oberfläche des
Triebwerkskörpers konform sind, wodurch die unvorhersehbaren Effekte
wesentlich vermindert werden, die auftreten können, wenn die
Sensoren in den Gasstrom hineinragen. Dadurch können
Punktsensoren nachträglich in vorhandene Triebwerke eingebaut
werden, ohne daß das Gasflußverhalten zur Berücksichtigung von
Störungen im Gasstrom aufwendig erneut berechnet werden muß.
In der Praxis haben Punktsensoren, ob konform oder in den
Gasstrom hineinragend, einen begrenzten Erfassungsbereich von
einigen wenigen Quadratzentimetern. Aus diesem Grund sind
konforme Punktsensoren auch als Knopf sensoren bekannt.
Punktsensoren haben somit auch eine nicht geringe Größe. Der
nachträgliche Einbau von Punktsensoren erfordert das Ausschneiden
von Befestigungslöchern im Triebwerkskörper, weshalb die im
Triebwerk auftretenden Kräfte neu berechnet werden müssen,
damit sichergestellt ist, daß das Triebwerk durch den
nachträglichen Einbau der Sensoren nicht geschädigt wird. Dies
ist zwar unerwünscht, aber dringend erforderlich, da
gegenwärtig viele Triebwerkskonstruktionen im Gebrauch sind, bei
denen eine Trümmererfassung zum Beispiel beim Überwachen des
Zustandes des Triebwerks von Nutzen sein könnte. Bis zur
nächsten Generation von Triebwerkskonstruktionen ist zum
sicheren Einpassen der Sensoren die erneute Berechnung des
Triebwerksverhaltens erforderlich. Ein Sensor, bei dem die
Modifikationen am Triebwerkskörper und/oder die Störungen im
Gasstrom minimal sind, ermöglicht daher beträchtliche
Kosteneinsparungen.
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Erfindungsgemäß wird ein Sensor zum Erfassen
elektrostatischer Ladungen geschaffen, der eine Sensorplatte mit
zwei Seitenflächen und einer Umfangsfläche und wenigstens
eine Abschirmplatte aufweist, die bezüglich einer
Seitenfläche der Sensorplatte so angeordnet ist, daß im Gebrauch die
Erfassung der elektrostatischen Ladungen in der Nähe des
Sensors durch einen Teil der Umfangsfläche der Sensorplatte
erfolgt.
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Die obigen und weitere Merkmale der Erfindung sind
insbesondere in den anhängenden Patentansprüchen angegeben,
sie gehen zusammen mit den Vorteilen davon aus einer
Betrachtung der folgenden genauen Beschreibung einer beispielhaften
Ausführungsform der Erfindung, die mit Bezug auf die
beihegenden Zeichnung erfolgt, klarer hervor.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten
erfindungsgemäßen Sensors;
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Fig. 2 eine Schnittansicht des ersten Sensors;
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Fig. 3 eine Aufsicht auf den ersten Sensor,
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Fig. 4 eine schematische Teil-Schnittansicht des
ersten Sensors, der an einem Triebwerk angebracht ist;
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Fig. 5 schematische Ansichten, die darstellen, wie
das Sichtfeld eines Sensors von den relativen Abmessungen
verschiedener Teile des Sensors abhängt; und
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Fig. 6 eine schematische Teil-Schnittansicht eines
zweiten erfindungsgemäßen Sensors, der an einem Triebwerk
angebracht ist.
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Der in den Fig. 1 bis 3 der Zeichnung gezeigte Sensor
1 umfaßt eine vordere Abschirmscheibe 2, eine hintere
Abschirmscheibe 3 und ein ringförmiges Sensorelement 4 zwischen
den Abschirmscheiben 2, 3, das davon durch dünne Isolierlagen
getrennt ist. Die Bezeichnungen "vorne" und "hinten" dienen
hier nur zur Angabe eines Bezugsrahmens und haben anderweitig
keine besondere Bedeutung. Die vordere Abschirmung 2 ist der
Teil des Sensors 1, der im Gebrauch der Vorderseite des
Triebwerks am nächsten ist, und die hintere Abschirmung 3 der
Teil, der dem Auslaß am nächsten ist. Die vordere und die
hintere Abschirmung 2, 3 bestehen aus dem gleichen oder einem
ähnlichen Material wie der Körper des Triebwerks, damit
sichergestellt ist, daß der Sensor ausreichend robust ist, um
der rauhen Umgebung des Triebwerks zu widerstehen.
Gleichermaßen besteht das Sensorelement 4 aus einem leitenden
Material, das das gleiche oder ein ähnliches ist wie das des Trieb
werks. Die Isolierlagen 5, 6 können aus Glimmer oder einem
anderen geeigneten isolierenden Material sein, das den
extremen Temperaturen und Bedingungen in einem
Gasturbinentriebwerk widerstehen kann. Im Gebrauch dienen die Abschirmungen
2, 3 dazu, das Sensorelement 4 von den störenden
elektrostatischen Ladungen oberhalb und unterhalb des Sensors im
Gasstrom
des Triebwerks abzuschirmen, in dem der Sensor
angebracht ist.
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Wie am besten in der Fig. 2 zu sehen ist, weist die
vordere Abschirmung eine Haltesäule 7 auf, um die herum die
hintere Abschirmung 3, das Sensorelement 4 und die
Isolierlagen 5, 6 angeordnet sind. Um die verschiedenen Teile des
Sensors zusammenzuhalten, sind Befestigungsschrauben 8, 9 und 10
vorgesehen. Die Befestigungsschrauben 8 bis 10 erstrecken
sich jeweils durch eines der Löcher 11 im Sensorelement,
wobei die Löcher 11 Übergröße haben, um einen elektrischen
Kontakt zwischen dem Sensorelement 4 und den Schrauben 8 bis 10
zu vermeiden.
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Die Signale vom Sensor 1 werden über ein Kabel 12,
das durch eine Klemme 13 an der hinteren Abschirmung
befestigt ist, zu einer Signalkonditionier- und
Verarbeitungsschaltung (nicht gezeigt) übertragen. Das Kabel 12 umfaßt
einen Leiter 14, der über einen Abstandhalter 15, der sich
durch ein Loch 16 mit Übergröße in der hinteren Abschirmung 3
erstreckt (siehe Fig. 3), mit dem Sensorelement 4 verbunden
ist. Alternativ kann das Kabel 12 durch das
überdimensionierte Loch 16 in der hinteren Abschirmung 3 verlaufen und der
Leiter 14 direkt mit dem Sensorelement 4 verbunden sein.
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Durch eine Schraube 18 ist an der hinteren Abschirmung eine
Abdeckung 17 aus einem ähnlichen Material wie die vordere und
hintere Abschirmung 2, 3 befestigt, die die Kabelanschlüsse
darunter schützt.
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Im Gebrauch wird ein Haltezapfen 19 durch eine
Bohrung 20 in der Haltesäule 7 geführt und zusammen mit einer
Haltemutter 21 dazu verwendet, den Sensor an einer geeigneten
Stelle in einem Triebwerk anzubringen. Die Fig. 4 der
Zeichnung zeigt den Sensor 1, der am hinteren oder Auslaßkonus 22
eines Gasturbinentriebwerks 23 angebracht ist. Wie gezeigt
befindet sich das Kabel 12 an der Oberfläche des Konusses 22
hinter einem Stator 24 und verläßt den Körper des Triebwerks
an einer geeigneten Stelle, an der es mit der (nicht
gezeigten)
Signalkonditionier- und Verarbeitungsschaltung verbunden
werden kann. Diese Art der Anbringung ist jedoch nicht immer
erwünscht, da das Vorhandensein des Kabels im Gasstrom das
Gasflußverhalten beeinflußt. Bei den meisten Triebwerken sind
jedoch der Auslaßkonus 22 und die diesen haltenden Statoren
24 hohl, so daß das Kabel 12 durch diese hindurch zu einer
geeigneten Stelle am Körper des Triebwerks geführt werden
kann und die Verbindung mit dem Sensor 1 erfolgen kann, ohne
daß der Gasstrom im Triebwerk gestört wird.
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Der Sensor 1 ist daher so konstruiert, daß er zentral
im Gasstrom eines Triebwerks angeordnet werden kann, und er
hat, da das Sensorelement 4 kreisförmig ist, die Fähigkeit,
alle elektrostatische Ladungen zu erfassen, die ihn an einer
beliebigen Stelle im Gasstrom passieren. Das Sichtfeld des
Sensors längs des Gasstromes wird durch die relativen
Abmessungen der vorderen und der hinteren Abschirmung 2, 3 und des
Sensorelements 4 bestimmt. In der Fig. 5 der Zeichnung ist
bei (a) ein Teil eines Sensors 1' mit einem weiten Sichtfeld
α', bei (b) ein Teil eines Sensors 1" mit einem engen
Sichtfeld α" und bei (c) ein Teil eines Sensors 1'" mit einem
noch engeren Sichtfeld α'" gezeigt. Aus der Fig. 5 geht klar
hervor, daß das Sichtfeld a des Sensor sowohl durch die
relativen Durchmesser des Sensorelements und der Abschirmungen
als auch durch die Dicke des Sensorelements bestimmt wird. In
der Fig. 5(a) ist der Unterschied zwischen der Höhe des
Sensorelements 4 und der Höhe der Abschirmungen 2,3 nur gering,
was zu einem großen Sichtwinkel α' führt. In der Fig. 5(b)
ist der Unterschied zwischen den jeweiligen Durchmessern
groß, mit dem Ergebnis eines engeren Sichtwinkels α". Das
Sensorelement der Fig. 5(c) ist von ähnlichem Durchmesser wie
das Sensorelement der Fig. 5(b), die Dicke des Sensorelements
der Fig. 5(c) ist jedoch erheblich geringer, so daß das
Sichtfeld α'" weiter verengt wird.
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Zusätzlich zu einer Änderung der relativen
Abmessungen der Teile des Sensors kann die Form verschiedener Teile
des Sensors verändert werden, um den Sensor besonders an ein
bestimmtes Triebwerk anzupassen. Die Fig. 6 der Zeichnung
zeigt einen Sensor 30, der für ein Triebwerk wie das Rolls-
Royce-Triebwerk RB 199 vorgesehen ist. Der Sensor 30 besteht
wieder aus einem Sensorelement 31 zwischen vorderen und
hinteren Abschirmungen 32, 33. Die vordere Abschirmung 32
besteht aus zwei Platten 32a, 32b, die als Klammer wirken,
zwischen die ein Wandabschnitt 34 des Auslaßkonusses 35
eingeschlossen ist, wodurch der Sensor 30 am Konus 35 befestigt
wird. Das Sensorelement 31 umfaßt eine zentrale Säule 36, die
sich durch eine Aussparung 37 mit Übermaß in den
Adapterplatten 32a, 32b erstreckt, damit im Konus 35 ein
Verbindungspunkt für ein Kabel 38 entsteht. Eine Abdeckung 39 deckt die
Vorderseite der Adapterplatte 32a ab. Die hintere Abschirmung
33 ist so konstruiert, daß sie eine ähnliche Form hat wie der
Auslaßkonus 35. Die vordere und die hintere Abschirmung 32,
33 werden durch isolierende Scheiben 40, 41 in einem Abstand
vom Sensorelement 31 gehalten.
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Das Triebwerk RB 199 weist einen Nachbrenner (nicht
gezeigt) auf, der im Gasstrom nach dem Auslaßkonus 35
angeordnet ist. Ein Triebwerk mit einem Nachbrenner erfordert
einen Sensor mit einem relativ engen Sichtfeld, in dem
elektrostatische Ladungen aus dem Nachbrenner nicht zu sehen
sind.
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Das Sensorelement hat daher einen Durchmesser, der
wesentlich kleiner ist als der wenigstens der hinteren
Abschirmung 33. Es ist natürlich auch erwünscht, daß das
Gesichtsfeld des Sensors 30 die Brennkammer (nicht gezeigt) des
Triebwerks nicht erfaßt, weshalb auch der Durchmesser der
vorderen Abschirmung 32 wesentlich größer ist als der des
Sensorelements 31. Die Durchmesser der vorderen und der
hinteren Abschirmung brauchen nicht gleich zu sein.
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Jemandem mit ausreichend Erfahrung ist klar, daß der
Unterschied in den Durchmessern der Abschirmungen und des
Sensorelements eine Stufe in der Oberfläche des Sensors
darstellt,
die unerwünschte Turbulenzen oder andere Änderungen
im Gasfluß bewirken kann. Die Umfangsfläche des Sensors
sollte unter Berücksichtigung dieser Tatsache konstruiert werden,
zum Beispiel durch Verblenden der Stufen in der Oberfläche
oder durch Einschluß geeigneter aerodynamischer
Konstruktionen, die den Turbulenzeffekt des Sensors minimieren.
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Beide der oben beschriebenen Sensoren 1 und 30
besitzen in einem engen oder anderweitig vorgegebenen Sichtfeld
eine Rundumsicht im Gasstrom der Gasturbine. Außerdem sind
beide Sensoren 1 und 30 weniger gegen lokale Störungen
(Rauschen) empfindlich als die bekannten Schleifen- und
Punkt- oder Knopfsensoren. Der Grund dafür ist, daß sowohl
beim Schleifen- als auch beim Knopf sensor jeder inkrementale
Sensorbereich des Sensor die elektrostatischen Ladungen an
jeder Stelle im gesamten Sichtfeld des ganzen Sensors erfaßt.
Im Ergebnis ist das Gesamt-Hintergrundrauschen, das von den
bekannten Sensoren erfaßt wird, relativ hoch. Im Gegensatz
dazu erfassen die inkrementalen Sensorbereiche der Sensoren 1
und 30 nur die elektrostatischen Ladungen in einem kleinen
Teil des gesamten Sichtfeldes. In jeder Richtung steht nur
ein beschränkter Teil des gesamten Sensorbereiches zur
Erfassung zur Verfügung, und entsprechend ist der Bereich für die
Erfassung lokaler Störungen begrenzt. Im Ergebnis sind die
Signale vom Sensor 1 und 30 nicht so verrauscht wie die ent
sprechenden Signale von den bisher bekannten Sensoren. Die
Sensoren 1 und 30 können daher für ein
Triebwerksüberwachungssystem mit einem Signal-Rausch-Verhältnis verwendet
werden, das höher ist als es bisher möglich war.
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Diese Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand
einer bevorzugten Ausführungsform ist so zu verstehen, daß
die fragliche Ausführungsform nur beispielhaft ist und daß
jemand mit ausreichenden Kenntnissen und Erfahrungen
Modifikationen und Abänderungen durchführen kann, ohne vom Umfang
der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden
Patentansprüchen angegeben ist.