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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wirbelstromerfassungssystem
zum Überwachen eines
Drehglieds für
verschiedene Zustände.
Das Wirbelstromerfassungsmittel der vorliegenden Erfindung überwacht
insbesonders die Bildung von Oberflächenfehlern und Verschiebung
von Drehgliedern in einem arbeitenden Verbrennungsturbinenmotor.
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Die
Benutzung von Wirbelstromerfassern hat sich wirksam zum Auffinden
von verschiedenen physikalischen, strukturellen und metallurigischen
Zuständen
in einer weitreichenden Verschiedenheit von Materialien erwiesen.
Wirbelstromerfasser sind insbesonders in verschiedenen Anwendungen
benutzt worden, um hergestellte Teile zu inspizieren.
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Wirbelstrominspektion
beruht auf den Prinzipien der elektromagnetischen Induktion. Daher
sind Wirbelstrominspizierungstechniken dahingehend Nichtberührungstechniken,
da sie direkten elektrischen Kontakt mit dem zu inspizierendem Material oder
Teil nicht erfordern. Weiterhin sind Wirbelstromerfasser dahingehend
nicht zerstörend,
da sie Zerstörung
des zu analysierenden Teils nicht erfordern.
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Ein
zu inspizierender Gegenstand wird typischerweise in oder neben eine
elektrische Spule gebracht, in der ein Wechselstrom fliesst. Als
Ergebnis des als Antriebsstrom bekannten Wechselstroms wird verursacht,
dass Wirbelströme
wegen Magnetinduktion in den Gegenstand fliessen. Da Wirbelströme dem Hauptinduktionsstrom
entgegengestellt sind, kann ihre Wirkung gemessen werden. Wenn ein
Riss oder ein anderer Fehler auf oder in der Nähe der Oberfläche des
Gegenstands vorhanden ist, dann ist die Wirbelstromströmung beeinflusst,
was seinerseits Änderungen
in dem zugeordneten elektromagretischen Feld verursacht. Die Wirkung
des elektromagnetischen Felds kann dann überwacht oder erfasst werden,
indem die induzierte Spannung in einer oder mehreren Spulen beobachtet
wird, die in das elektromagnetische Feld in der Nähe der Oberfläche des
Gegenstands gebracht werden.
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Leider
sind derzeitig erhältliche
Wirbelstromerfasser unfähig,
einer aggressioven Umgebung zu widerstehen, wie in einem arbeitenden
Verbrennungsturbinenmotor. Tatsächlich
sind derzeitig erhältliche
Wirbelstromerfasser nur bis auf ungefähr 165°C (330°) betriebsfähig. Die Umgebung in einem arbeitenden
Verbrennungsturbinenmotor ändert
sich im allgemeinen von Temperaturen über 165°C (330°F) bis auf Temperaturen von
ungefähr
1204°C (2200°F), je nach
dem Ort in der Turbine.
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Gewöhnliche
Wirbelstromerfasser sind zum Inspizieren einer Anzahl von Zuständen in
verschiedenen Materialien oder Metallteilen handelsüblich, wie
zum Beispiel in dem Electrical Engineering Handbook von C. R. C.
Press erklärt
wird, und dem Metals Handbook, 8te Ausg,
Band 11, "Nondestructive
Inspection and Quality Control",
veröffentlicht
von der American Society for Metals. Es ist zum Beispiel wünschenswert,
sich drehende Teile eines Verbrennungsturbinenmotors zu überwachen,
um verschiedene Zustände
wie Rissbildung und -verschiebung aufzufinden, so dass die Turbine
sicher stillgelegt werden kann, was weiteren Schaden vermeidet.
Gewöhnliche
Wirbelstromerfasser sind aber durch ihre Gestalt so begrenzt, dass
sie eine Abtastrate über ungefähr 127 Meter/Sek
(5000 Zoll pro Sekunde) nicht liefern können. Wenn Echtzeitüberwachung
für Teile
in einer Maschine wie einer arbeitenden Verbrennungsturbine erwünscht ist,
dann sollte eingesehen werden, dass höhere Abtastraten erfordert
sind.
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Zusätzliche
Hinweise des Standes der Technik, die Wirbelstromfehlerauffindungssysteme
beschreiben, schliessen EP-A0 072 682 ein, das ein Wirbelstromerfassungssystem
beschreibt, das einen Wirbelstromerfasser aufweist, der in einer
Umgebung eines Drehglieds angeordnet ist, wobei der Erfasser eine
Antriebsspule hat, um einen Wirbelstrom in dem Drehglied zu induzieren
und eine Aufnahmespule, um den Wirbelstrom zu erfassen, wobei die Ausgabe
der Aufnahmespule auf die Gegenwart oder das Nichtvorliegen von
Rissen bezogen ist, wobei ein Diagnosesystem an das System gekuppelt
ist, GB-A 2255184, WO-A-8601895,
US-A 5140264. Keine der vorangehenden Hinweise beschreibt aber ein
System das die vorangehenden Aufgaben befriedigt oder äußere Eingaben
liefert, die Änderungen
in der Umgebung anzeigen, die die Turbine umgibt, das ein besseres
Verstehen der Signale liefert, die mit Bezug auf den zu analysierenden
Fehler interpretiert wird.
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Daher
besteht ein Bedarf eines Wirbelstromerfassers mit hoher Auflösung, der
einer aggressiven Umgebung widerstehen kann, der in einem Wirbelstromerfassungssystem
benutzt werden kann, um verschiedene Zustände mit einer hohen Abtastrate zu überwachen,
so dass Echtzeitüberwachen
erreicht werden kann. Weiterhin besteht ein Bedarf, ein solches
System mit verbesserter Diagnosefähigkeit vorzusehen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Bedarf
durch Liefern eines Wirbelstromerfassungsssystems mit hoher Auflösung zu
erfüllen,
das insbesonders gestaltet ist, um in einer aggressioven Umgebung
betreffs Temperatur und Schwingung zu arbeiten, um verschiedene
Zustände in
Echtzeit zu überwachen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem wie in Anspruch 1 definiertem Wirbelstromerfassungssystem erreicht.
Anspruch 9 definiert ein Verfahren zum lokalen Überwachen eines Drehglieds,
das ein solches Wirbelstromerfassungssystem benutzt.
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Die
vorliegende Erfindung und ihre zahlreichen Aufgaben und Vorteile
werden mit Bezugnahme auf die folgende genaue Beschreibung der Erfindung,
wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen genommen wird,
besser verstanden, in denen:
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1 ein
Querschnittdiagramm eines Verbrennungsturbinenmotors ist, in dem
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung benutzt werden kann.
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2 eine
vergrößerte Querschnittansicht des
Teils des in 1 gezeigten Verbrennungsturbinenmotors
ist, in dem eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung benutzt werden kann.
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3A und 3B axiale
Querschnittdiagramme des Wirbelstromerfassers nach einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung sind.
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4 die
Anordnung des Wirbelstromerfassers zum Überwachen der Bildung eines
Risses auf der Oberfläche
eines Drehglieds zeigt.
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5A einen
U-förmigen
Spulenabschirmungsaufbau eines Wirbelstromerfassers nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5B einen
zylindrischen SpulenAbschirmungaufbau eines Wirbelstromerfassers
nach einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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6 ein
Systemblockdiagramm des Wirbelstromerfassungssystems nach einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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7 ein
Blockdiagramm des Fehlerdiagnosesystems nach einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist.
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8 ein
Blockdiagramm des Verschiebungsdiagnosesystem nach einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in einer großen Verschiedenheit von Anwendungen
benutzt werden kann, wird sie hier als auf Überwachen von Zuständen in
Drehgliedern eines Verbrennungsturbinenmotors angewandt. Ein Verbrennungsturbinenmotor
wird im allgemeinen bei 1 in 1 gezeigt.
Die Mittelachse des Verbrennungsturbinenmkotors ist als Rotor 5 gezeigt,
der sich mit ungefähr
3600 U/min dreht, wenn der Verbrennungsturbinenmotor vollständig in
Betrieb ist. So sind die Kompressorschaufeln 22, die Kompressorscheiben 20,
der Windsichter 10 und andere Glieder alle an dem Rotor
befestigt, sie drehen sich ebenfalls bei ungefähr 3600 U/min. Es ist häufig wünschenswert,
Rissbildung auf dem Teil des Windsichters 10 aufzufinden,
der sich radial nach außen
auf die Scheibe 15 von Reihe 1 erstreckt, wie
von dem umkreisten Teil gezeigt ist, das als 25 in 1 bezeichnet
ist.
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2 liefert
eine vergrößerte Ansicht
des Windsichters 10 und der Scheibe 15 von Reihe 1.
Ein Wirbelstromerfasser ist im allgemeinen bei 30 in 2 gezeigt,
der über
dem sich drehenden Teil des Windsichters 10 angeordnet
ist. Der Wirbelstromerfasser kann auf dem Drehmomentrohrgehäuse 50 des
Motors angebracht sein, vorzugsweise mit Benutzung eines Traganordnungsgeräts 40.
Es sollte klar sein, dass das Traganordnungsgerät 40 mit Benutzung
von irgendeinem geeigneten Verbindungsgerät durchgeführt werden kann Eine axiale
Querschnittansicht eines Wirbelstromerfassers nach einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3A und 3B gezeigt.
Ein Spulenerfasser 100 schliesst eine Antriebsspule 116 und vorzugsweise
zwei Aufnahmespulen 114 ein, die wie in 3B gezeigt
differentiell aneinander gekuppelt sind. Die Drähte von jeder der Spulen sind
um den zylindrischen Kern 108 des Erfassers gewunden, so dass
die Erfasserspule eine Berlinergestalt bildet. Querschnitte des
Antriebsspulendrahts 118 und Querschnitte des Aufnahmespulendrahts 120 sind
in 3B gezeigt, die die gewundene Querschnittansicht
und Ausrichtung der Spulen darstellt. Ein Erfassergehäuse 102 ist
gezeigt, um die Erfasserspule 100 zu umgeben. Eine Spulenabschirmung 106 kann beliebig
vorgesehen sein, um das elektromagnetische Feld, das von der Antriebsspule
hergestellt wird, auszurichten. Die Einzelheiten der Spulenabschirmung 106 werden
unten beschrieben.
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Wenn
man wieder auf 2 Bezug nimmt, dann ist die
Temperatur der Luft in dem Spalt 70 ungefähr 190°C (375°F) während die
Turbine in Betrieb ist, und die Temperatur der Luft über dem
Windsichter 10 ist ungefähr 218°C (425°F), oberhalb den Betriebstemperaturen
für im
Handel erhältlichen
Wirbelstromerfassern. So muss die Gestaltung und das Material, die
beim Herstellen des in 3A und 3B gezeigten
Wirbelstromerfassers sorgfältig
ausgewählt
werden, um Betrieblichkeit in dieser Hochtemperaturumgebung zu erreichen.
Es ist daher bevorzugt, dass Hochtemperaturmaterialien benutzt werden,
um den Wirbelstromerfasser aufzubauen. Um Betrieblichkeit bei sogar
noch höheren
Temperaturen zu erreichen, ist es zusätzlich bevorzugt, einen zylindrischen
Kern 108 zu liefern, der ein hohles Teil 122 hat,
in das ausreichenden Kühlluft
gepumpt wird, wobei der Spulenerfasser 100 weiter gekühlt wird.
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Ein
keramischer Isolator 104 kann auch benutzt werden, um die
innere Oberfläche
des zylindrischen Kerns 108 zu beschichten. Der Spulenerfassser 100 enthält vorzugsweise
Töpfereimaterial 121, um
die Antriebsspule 116 und Aufnahmespulen 118 anzuordnen.
Geeignetes Hochtemperaturtöpfereimaterial
ist im Handel von GK Engineering, Inc. von Chatsworth, Kalifornien
erhältlich.
In einer solchen bevorzugten Ausführungsform sollte der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Töpfereimaterials
größer als
der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses 102 sein. Weiterhin
ist es bevorzugt, besonders isolierten Draht für die Antriebsspule 116 und
die Aufnahmespule 118 zur Benutzung in Hochtemperaturanwendungen
zu benutzen. Ein mit keramischem Material beschichteter Draht ist
zur Benutzung in Betriebsumgebungen mit Temperaturen über 165°C (330°F) besonders
bevorzugt. Mit einer keramischen Hochtemperaturbeschichtung beschichteter Draht
ist im Handel von California Fine Wire, Inc. erhältlich. Es sollte klar sein,
dass, obwohl mit keramischem Material beschichteter Draht bei Temperaturen
bis zu 1093°C
(2000°F)
benutzt werden kann, ein anders beschichteter Draht bei tieferen
Temperaturen benutzt werden kann, z. B. Polyamidbeschichtung für Anwendungen
bis zu ungefähr
215°C (420°F).
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Das
für das
Erfassergehäuse
ausgewählte Material
kann auch beruhend auf den Hochtemperatur- und hydrostatischen Ladezuständen ausgewählt sein,
die in dem arbeitenden Verbrennungsturbinenmotor bestehen. Die thermischen
Ausdehnungskennzeichen, Leitfähigkeit,
und Permeabilität
sollten alle bei der Auswahl von geeignetem Material für das Erfassergehäuse berücksichtigt
werden. Das Erfassergehäuse 102 ist
vorzugsweise aus einem auf Nickel beruhender Legierung wie IN 909TM hergestellt, das im Handel von Inconnel
erhältlich
ist, oder einem Äquivalent
davon mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizient als
das Töpfereimaterial,
einer Permeabilität
von 1,0 und einer Leitfähigkeit
von weniger als 3% IACS (International Annealed Copper Standard).
Bevorzugterweise hat das Erfassergehäusematerial eine Leitfähigkeit
geringer als 1,5% IACS. Trotz einer Auswahl von Material wie hier
beschrieben, wird kühle
Luft vorzugsweise in das hohle Teil 122 des Erfassers für Betriebstemperaturen über 815°C (1500°F) gepumpt.
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Wie
von 3B angezeigt ist, ist es bevorzugt, dass der Antriebsspulendraht 118 im
Durchmesser größer ist
und näher
an dem zylindrischen Kern 108 angeordnet ist als der Aufnahmespulendraht 120.
Um den besten Kompromiss zwischen Tiefeneindringung und Empfindlichkeit
zu erreichen, muss die Größe von jeder
Spule je nach der bestimmten Anwendung vorsichtig ausgewählt werden. Es
sollte klar sein, dass Draht mit größerer Breite einen Strom mit
größerem Ausmaß als ein
Draht mit geringerer Breite tragen kann, so dass das von dem Draht
mit größerer Breite
hergestellte elektromagnetische Feld größer sein wird, und Wirbelströme in einer
größeren Entfernung
induzieren kann. Es sollte aber auch klar sein, dass Draht mit geringerer
Breite erwünscht
ist, um größere Empfindlichkeit
beim Erfassen der von den induzierten Wirbelströmen hergestellten elektromagnetischen
zu erreichen. Daher ist es bevorzugt, Draht mit einer Breite von
20–30
für die Antriebsspule 116 zu
benutzen, und Draht mit einer Breite von 26–40 für die Aufnahmespulen 114,
um Oberflächenfehler
in einem Drehglied eines Verbrennungsturbinenmotors zu überwachen.
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Bei
einem Verbrennungsturbinenmotor ist es bekannt, dass sich Risse
auf der Oberfläche
eines Drehglieds bilden und dass jeder Riss im allgemeinen in dieselbe
Richtung fortschreitet. Wenn man auf 4 Bezug
nimmt, dann ist der Wirbelstromerfasser 30 über einem
Drehglied 60 angeordnet gezeigt. Das Drehglied dreht sich
um eine Achse 62. es ist zum Beispiel bekannt dass ein
Riss 64 sich von einer Stelle 66 bilden wird und über die
Oberfläche
von dem Drehglied auf die Stelle 68 fortschreiten wird. Wenn
zwei differentielle Aufnahmespulen in dem Spulenerfasser benutzt
werden, dann wird ihre kombinierte Ausgabe eine "0" Höhe bleiben,
so lange keine Risse (oder andere auffindbare Anomalien) auf der
Oberfläche
des Drehglieds 60 bestehen. Aber wenn sich ein Riss bildet,
dann kann er aufgefunden werden, da die Ausgabe der differentiellen
Aufnahmespulen nicht Null sein wird. Wenn es erwünscht ist, den Fortschritt
einer Rissbildung auf der Oberfläche
des Drehglieds zu verfolgen, dann schliesst der Wirbelstromerfasser
vorzugsweise eine Anzahl von Spulenerfassern wie Spulenerfasser 100 und 101 ein,
die hintereinander entlang der Achse des zylindrischen Kerns 108 wie
in 3 gezeigt angeordnet sind. Daher wird, wenn der
Riss fortschreitet, er von dem ersten Spulenerfasser 100 an
einer ersten Stellung und danach von dem zweiten Spulenerfasser 101 an
einer zweiten Stellung aufgefunden, und so weiter für jeden
benutzten Spulenerfasser.
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Ein
anderer Vorteil des Wirbelstromerfassers nach der Gestaltung der
vorliegenden Erfindung ist dass er gleichzeitig benutzt werden kann,
um mehr als einen Zustand zu überwachen.
Zum Beispiel wenn man wieder auf 2 Bezug
nimmt, dann kann man sehen, das der Wirbelstromerfasser nicht nur über der
sich drehenden Oberfläche
des Windsichters 10 angeordnet ist, sondern auch neben
der radialen Oberfläche
der Scheibe 15 von Reihe 1 angeordnet ist. Daher
kann der Wirbelstromerfasser auch Verschiebung der ersten Scheibe
auffinden, die von der hohen Schwingung einer arbeitenden Verbrennungsturbine
verursacht wird. So wird der in 3A gezeigte
Wirbelstromerfasser als Induzieren und Auffinden von elektromagnetischen
Feldern 110 gezeigt, um die Bildung eines Risses in der
Oberfläche
eines Drehglieds zu überwachen
und zusätzlich
elektromagnetische Felder 112 zu induzieren und aufzufinden, um
die Verschiebung eines Drehglieds zu überwachen.
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5A und 5B zeigen
zwei beliebige Benutzungen für
eine Spulenabschirmung. In einigen Situationen kann es erwünscht sein,
das elektromagnetische Induktionsfeld zu begrenzen. So ist die Spulenabschirmung 106 vorzugsweise
aus einem ferromagnetischen Material hergestellt, so dass die elektromagnetischen
Felder nicht außerhalb
die Abschirmung und auf benachbarte Gegenstände durchdringt. Zum Beispiel,
wenn der Wirbelstromerfasser wie in 2 gezeigt
in einen Verbrennungsturbinenmotor gelagert wird, dann kann er benutzt
werden, um den Windsichter 10 oder die Scheibe 15 von
Reihe 1 oder beide zu überwachen.
Als Beispiel umkreist die in 5B gezeigte
Spulenabschirmung 106 den ganzen Spulenerfasser 100,
begrenzt dabei das von Induktionsfeld das nur von der radialen Fläche des Spulenerfassers
gesendet werden soll, so dass nur eine Verschiebung der Scheibe 15 von
Reihe 1 überwacht
wird.
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Es
ist weiterhin häufig
wünschenswert,
das Induktionsfeldfenster zu begrenzen, um die Empfindlichkeit des
Erfassers zu verbessern, d. h. die Energie wird konzentrierter,
wobei Empfindlichkeit verbessert wird. Die in 5A gezeigte
U-förmige
Spulenabschirmung 106 ist ein Beispiel eines Spulenabschirmungserfassers
zum Begrenzen des Induktionsfeldfensters, im die Gesamtempfindlichkeit
des Erfassers zu verbessern. Es sollte aber klar sein, dass ein
Kompromiss bei der Abtastreichweite durch Begrenzen des Fensters,
um Empfindlichkeit zu verbessern, vorhanden ist. So sind zahlreiche
Spulenabschirmungsanordnungen möglich,
sollten aber ausgewählt werden,
um den Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Reichweite für jede Anwendung zu
maximieren.
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Ein
Blockdiagramm eines Wirbelstromerfassungssystems nach der vorliegenden
Erfindung ist in 6 gezeigt. Das System benutzt
vorzugsweise den hier beschriebenen Wirbelstromerfasser. Es sollte
aber klar sein, dass andere Wirbelstromerfasser in dem in 6 gezeigten
System benutzt werden können.
Die von den Aufnahmespulen des Wirbelstromerfassers 200 erfassten
Wirbelströme
werden als eine Ausgabe geliefert, die ein geeignetes Signalkabel 201 benutzt.
So hat das auf dem Signalkabel 201 getragene Signal eine
Größe, die
auf den Wirbelstrom bezogen ist, der in den Aufnahmespulen aufgefunden
wird.
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Das
ECT (Wirbelstromtest)instrument 204 empfängt eine
Eingabe von dem Signalkabel 201. Das ECT-Instrument 204 ist
vorzugsweise ein Vielkanalgerät,
so dass jeder Kanal getrennt beruhend auf der beabsichtigten Anwendung
gestaltet werden kann, der Dynamik des zu überwachenden sich drehenden
Glieds, den zu überwachenden
Zuständen, und
einer Anzahl von anderen möglichen
Faktoren. Ein solches ECT-Instrument ist von Zetec Inc., Rohman
Inc., Nortec Inc., und Foerster Inc. im Handel erhältlich.
Wenn der in 3A und 3B gezeigte Wirbelstromerfasser
als ein Wirbelstromerfasser 200 in einem Verbrennungsturbinenmotor
zum Überwachen
von Rissbildung in einem Windsichter und Verschiebung der Reihe 1 Scheibe
benutzt wird, dann ist das ECT-Instrument 204 vorzugsweise
für 3 Kanäle gestaltet.
Der erste als Kanal 1 gezeigt Kanal wird zum Auffinden
von Verschiebung benutzt. Kanäle 2 und 3 jeweils
bei 208 und 210 werden zum Auffinden von Rissbildung
auf der Oberfläche
des überwachten sich
drehenden Glieds benutzt. In dieser bevorzugten Ausführungsform
entspricht Kanal 2 dem ersten Spulenerfasser 100 und
Kanal 3 entspricht dem zweiten Spulenerfasser 101.
Es sollte aber klar sein, dass irgendeine Anzahl von Spulenerfassern
benutzt werden kann, je nach den besonderen Anforderungen für die beabsichtigte
Benutzung des Erfassers.
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Wenn
man annimmt, dass das Wirbelstromerfassungssystem in einem Verbrennungsturbinensystem
benutzt werden soll, um Rissbildung in einem Windsichter aufzufinden,
und Verschiebung der Reihe 1 Scheibe, wie in 1 und 2 gezeigt
ist, dann können
die ECT-Instrumentkanäle
durch rechenbare Frequenzen definiert werden. Man betrachte zum
Beispiel die Bildung eines Risses auf der Oberfläche des Windsichters. Der Windsichter
hat einen ungefähren
Durchmesser von 52 Zoll und dreht sich mit einer Geschwindigkeit
von ungefähr
3600 U/Min (60 Umdrehungen pro Sekunde). So wandert die Oberfläche des
Windsichters an dem Wirbelstromerfasser mit einer Rate von ungefähr 250 Metern pro
Sekunde (9800 Zoll pro Sekunde: 52π Zoll im Umfang multipliziert
mit 60 Umdrehungen pro Sekunde). Wenn das Sondenfeld ein Auffindungsfenster von
ungefähr
1,3 cm (1/2 Zoll) in Länge
hat, (z. B. mit Benutzung der in 5A gezeigten
U-förmigen
Spulenabschirmung, dann würde
es ungefähr
50 μsek
für 1,3
cm (1/2 Zoll) der sich drehenden Oberfläche gebrauchen, um von dem
Anfang des Auffindungsfensters der Sonde zum Ende des Auffindungsfensters der
Sonde zu wandern. So würde
irgendein in dem Sondenfeld aufgefundener Riss in dieser besonderen
Anwendung eine kennzeichnende Frequenz von 20 KHz (das Umgekehrte
von 50 μsek)
haben. In einem solchen Fall wird ein 20 KHz Bandpassfilter von den
auswählbaren
Filterparametern für
Kanäle 2 und 3 von
dem ECT-Instrument ausgewählt.
Die kennzeichnende Frequenz zum Auffinden von Verschiebung oder
Schwingung der Scheibe 15 von Reihe 1 ist vorzugsweise
60 Hz. Es sollte klar sein, dass eine ähnliche Analyse durchgeführt würde, um
die kennzeichnende Frequenz von jedem zu überwachenden Zustand zu bestimmen.
Ein Bandpassfilter mit einer Mittelfrequenz von ungefähr 60 Hz
oder sogar ein Tiefpassfilter mit einer Abschaltfrequenz um 60 Hz würde von
den auswählbaren
Filterparametern für Kanal 1 von
dem ECT-Instrument ausgewählt
werden.
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Die
Ausgabe von dem ECT-Instrument 204 sind ein oder mehrere
gefilterte Analogsignale, wo die Anzahl von Ausgaben der Anzahl
von Kanälen entspricht,
die von dem ECT-Instrument 204 benutzt werden. Analog-Digital-Wandler 212 und 214 wandeln
die analoge Ausgabe des ECT-Instruments 204 in eine digitale
Eingabe zu einem geeignten Prozessor 250 um. In einer bevorzugten
Ausführungsform werden
die den Kanälen 2 und 3 zugeordneten
digitalen Signale von einem Fehlerdiagnosesystem 218 analysiert,
das von dem Prozessor 250 ausgeführt wird. Ähnlicherweise wird das dem
Kanal 1 zugeordnete digitale Signal von dem Verschiebungsdiagnosesystem 216 analysiert.
So lange keine Fehler- oder Verschiebungszustände aufgefunden werden, fährt das
System wie bei 220 gezeigt fort, diese Zustände zu überwachen.
Wenn aber ein kritischer Fehler oder Verschiebung entdeckt wird,
dann kann das System mit Softwaresteuerung wie bei 222 gezeigt
manuell stillgelegt oder automatisch stillgelegt werden.
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7 ist
ein Blockdiagramm des Diagnosesystems 218 zum Überwachen
von Fehlern in der Oberfläche
eines Drehglieds, wie der Windsichter in einer Verbrennungsturbine
nach einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Die digitalen Eingaben 260 und 262,
die jeweils den Kanälen 2 und 3 des
ECT-Instruments
zugeordnet sind, sind als jeweilige Eingaben zu dem Schwellenauffinder 264 und 266 geliefert.
Schwellenauffinder 264 und 266 vergleichen die
Größe der digitalen
Eingaben 260 und 262 mit einer vorbestimmten Schwelle.
Ein möglicher
Fehler wird aufgefunden, wenn eine oder beide der gefilterten Ausgaben
die Schwelle überschreiten. So
beruht die Schwellenhöhe
auf einer Anzahl von Faktoren, (z. B. dem Signal-Rausch-Verhältnis der digitalen
Eingaben 260 und 262), aber sie sollte ausgewählt werden,
um eine Maximalwahrscheinlichkeit der Auffindung mit einer Minimalwahrscheinlichkeit von
Falschalarm auszugleichen, wie wohlbekannt ist.
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Die
Abtastrate der Aufnahmespulen sollte auch maximiert werden, um die
Wahrscheinlichkeit der Auffindung zu maximieren. Die Ausgabe der
Aufnahmespulen kann wirksam mit einer Rate abgetastet werden, die
gleich der Frequenz des Wechselstroms ist, der die Antriebsspule
des Wirbelstromerfassers antreibt. Daher ist es bevorzugt, einen
Wechselstrom mit der höchst
möglichen
Frequenz zu benutzen. Wenn der in dem oben beschriebenen Verbrennungsturbinenmotor
benutzte Wirbelstromerfasser zum Beispiel eine Betriebsfrequenz
von 200 KHz hat, dann wäre
es möglich,
die Oberfläche
des Windsichters alle 5 μsek
zu überwachen
oder ungefähr alle
1,2 μsek
(0,05 Zoll: 9800 Zoll pro Sekunde multipliziert mit 5 μsek). Je
nach der bestimmten Anwendung kann es notwendig sein, die Betriebsfrequenz auf
1 MHz zu erhöhen,
um die erwünschte
Empfindlichkeit (ungefähr
0,01 Zoll) zu erreichen.
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So
lange wie die vorbestimmte Schwelle nicht überschritten worden ist, schreitet
das Überwachen
bei 220 fort. Wenn aber ein Fehler von entweder Schwellenauffinder 264 oder 266 aufgefunden wird,
dann analysiert ein Beurteilungsmittel 270, das vorzugsweise
Diagnosesoftware ist, die gefilterten Ausgaben weiter, die die von
Schwellenauffindern 264 und 266 bestimmte Schwelle überschreiten. Wenn
sich zum Beispiel ein Riss auf der Oberfläche eines Drehglieds bildet,
muss es nicht kritisch für
den Betrieb des Verbrennungsturbinenmotors sein. Insbesonders, wenn
der Riss auf eine bestimmte Länge wächst, kann
er erfordern, dass der Verbrennungsturbinenmotor aus Sicherheitsgründen oder zur
Ersetzung des fehlerhaften Teils oder Teile stillgelegt wird. Andererseits
kann die Größe des Fehlers als
nicht kritisch erachtet werden, aber die Wachsrate des Risses kann
so schnell sein, dass sie erfordert, dass der Verbrennungsturbinenmotor
stillgelegt wird. Durch Benutzen von wenigstens zwei Kanälen, um einen
Fehler zu überwachen,
sollte es klar sein, dass die Größe des Zustands,
ein Riss in diesem Beispiel, und seine Wachsrate bestimmt werden
können,
indem die Zeit und Auftritte analysiert werden, wenn die gefilterten
Ausgaben die vorbestimmte Schwelle überschreiten. So kann das Beurteilungsmittel 270 die
Länge oder
die Wachsrate eines Risses bestimmen und die Daten mit vorbestimmten
Normen vergleichen, die auf Zuständen
beruhen, die erfordern, dass der Verbrennungsturbinenmotor stillgelegt
wird.
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Zum
Beispiel nimmt man an, dass die in 3A gezeigten
Spulenerfasser 100 und 101 über der sich drehenden Oberfläche bei
ungefähr
5 cm (2 Zoll) und 10 cm (4 Zoll) von der Kante der sich drehenden
Oberfläche
angeordnet sind, wo erwartet ist, dass ein Riss beginnt, wie in 4 gezeigt
ist. Man nimmt auch zu Beispelszwecken an, dass es bestimmt ist,
dass ein Riss größer als
ungefähr
10 cm (4 Zoll) in seiner Länge
ein kritischer Zustand ist. Dann wird, wenn ein Riss von dem Schwellenauffinder 266 aufgefunden
wird, der Zustand als kritisch definiert, da der Riss als wenigstens
10 cm (4 Zoll) in seiner Länge
bestimmt würde.
Andererseits, nimmt man an, dass ein Riss mit einer Wachsrate größer als ungefähr 5 cm
pro Stunde (2 Zoll pro Stunde) als ein kritischer Zustand bestimmt
ist. Dann, wenn der Riss zuerst von dem Schwellenauffinder 264 aufgefunden wird
und dann von dem Schwellenauffinder 266 innerhalb der nächsten zwei
Stunden aufgefunden wird, würde
der Zustand wieder als kritisch definiert, da die Risswachsrate
größer als
oder gleich wie 5 cm pro Stunde (2 Zoll pro Stunde) sein.
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Nachdem
das Beurteilungsmittel 270 eine Bestimmung macht, dass
der Zustand kritisch ist, leitet das Fehlerdiagnosesystem vorzugsweise
eine automatische Stilllegungsprozedur 222 ein. In einer mehr
bevorzugten Ausführungsform
ist eine manuelle Übersteuerung
vorgesehen, so dass der Zustand von dem Personal überwacht
werden kann, bevor die Verbrennungsturbine ausgeschaltet wird. Es
ist zum Beispiel ein entfernter persönlicher Computer (PC) 274 vorgesehen,
so dass ein geschulter Techniker oder Ingenieur die Daten auswerten
kann, um zu bestimmen, ob die Stilllegungsprozedur 222 eingeleitet werden
soll. Der entfernte PC 274 empfängt eine Eingabe 271 von
dem Beurteilungsmittel 270, das eine Anzeige liefert, ob
der Zustand als kritisch oder routinemäßig bestimmt worden ist. Das
Beurteilungsmittel 270 liefert in einer bevorzugten Ausführungsform auch
eine Ausgabe von Daten 273, die die gefilterten Signalkennzeichen
und andere Daten darstellen, die von der Diagnosesoftware erzeugt
werden, z. B. die aktuelle Größe des Fehlers,
die aktuelle Wachsrate, usw. Nach der Erfindung können äußere Faktoren 272 wie
Schwingungsdaten, Temperaturänderungen, Brennstoffberücksichtigungen,
oder irgendein anderer Faktor, der den überwachten Zustand möglicherweise
beeinflusst, als eine Eingabe in den entfernten PC 274 von
einer geeigneten äußeren Quelle,
die Teil des Wirbelstromerfassungssystems bilden.
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Es
kann, je nach der bestimmten Anwendung, bevorzugt sein, einen entfernten
PC 274 zu liefern, eine Diagnose-PC 276 in einem
Diagnosezentrum 278, oder beides, so dass geschultes Personal die
Datenausgabe 289 von dem Beurteilungsmittel 288 unabhängig auswerten
kann. Äußere Faktoren werden über eine
Grenzfläche 290 geliefert,
so dass zusätzliche
von den geeigneten äußeren Quellen
gelieferte Daten berücksichtigt
werden können,
wenn die Daten eine Wirkung auf die Verschiebungsdaten 289 haben.