-
Technisches
Gebiet
-
Die Erfindung betrifft Luftspaltsensoren
und insbesondere Mikrowellen-Luftspaltsensoren.
-
Technischer
Hintergrund
-
Auf dem Gebiet von Flugzeugmotoren
und anderen Maschinen mit bewegten oder sich drehenden Rotorblättern oder
verzahnten Elementen innerhalb einer Abdichtung oder einer Verkleidung
(beispielsweise dem den Laufrädern
am nächsten
gelegenen Teil eines Motorgehäuses)
ist es bekannt, dass das Messen der Lücke zwischen der Außenkante
(oder dem Umfang) der Laufradspitze und der inneren Fläche der
Dichtung wünschenswert
ist. Diese Lücke
wird als Luftweg-Spielraum (oder Laufrad-Spielraum) oder hier einfach
als Luftspalt bezeichnet.
-
Insbesondere bei einer Gasturbine
ist es wünschenswert,
den Luftspalt zu minieren, um dadurch die Strömung und den Wirkungsgrad des
Motors zu optimieren. Folglich wird bei einigen Motoren der Dichtungsring
mit dem Zweck justiert, den Luftspalt zu minimieren und dadurch
den Wirkungsgrad zu maximieren.
-
Außerdem können verschiedene Übergangs-Verlagerungen
der Laufradspitze, die während
einer erzwungenen Vibration, in einem Flatterzustand, beim Absterben
oder beim plötzlichen
Drehzahlanstieg des Motors oder bei anderen Strömungsweg-Instabilitäten auftreten,
vorübergehend
zu einer Änderung
der Luftspaltgröße und/oder
zu einem Abreiben der Dichtungsoberfläche und mithin zu einer dauernden
Vergrößerung des
Luftspalts führen.
Solche vorübergehenden
oder bleibenden Änderungen des
Luftspalts bewirken eine Änderung
der Strömung und
mithin eine Reduzierung des Motor-Wirkungsgrads.
-
Eine übliche Methode, den Luftspalt
zu messen, macht von einem Array kapazitiver Sensoren Gebrauch,
die um den Dichtungsring verteilt sind. Allerdings messen die kapazitiven
Sensoren den Luftspalt zwischen der Blattspitze und der Dichtung deshalb
nicht exakt, weil diese Sensoren die Änderung der Dicke der Dichtung
nicht erfassen können. Insbesondere
ist jeweils ein Sensor um einen vorbestimmten Betrag in die Dichtung
eingelassen, um zu verhindern, dass der Sensor durch die Berührung mit den
Blättern
beschädigt
wird, während
die Dichtung verschleißt.
Allerdings misst der Sensor lediglich den Abstand zwischen Sensor
und Blattspitze. Auf diese Weise werden Änderungen der Dichtungsdicke
(zwischen Sensorspitze und Oberfläche der Dichtung) nicht gemessen
und folglich nicht berücksichtigt.
-
Andere Methoden zum Messen des Luftspalts
und zum Ermitteln des Abriebs beinhalten Wirbelstrom-, Magneto-Reluktanz-,
optische, pneumatische, Röntgen-
und Berührungssonden.
Diese Methoden erfassen allerdings ebenfalls nicht den Abstand zwischen
der Blattspitze und der Dichtung. Außerdem sorgen diese Methoden
nicht für
die erforderliche Einsatzfähigkeit,
da sie nicht bei hohen Temperaturen eingesetzt werden können, sie
eine Neueichung während
ihres Einsatzes erfordern, um Änderungen
der Dichtungsdicke zu berücksichtigen,
oder sie nicht während
des Betriebs des Motors verwendet werden können.
-
Wünschenswert
ist daher die Schaffung eines nicht-störenden Verfahrens bei der Bestimmung des
Blattspitzenspielraums (Luftspalts).
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Ziele der Erfindung beinhalten die
Schaffung eines nicht-hinderlichen Luftspaltsensors.
-
Erfindungsgemäß enthält ein Luftspaltsensor für eine Maschine
mit vorstehenden Elementen und einer benachbarten, verschleißfähigen Dichtung,
die relativ zueinander bewegbar sind, die Merkmale des Anspruchs
1 oder des Anspruchs 4.
-
Erfindungsgemäß ist das von der Sensoreinrichtung
reflektierte Mikrowellensignal kennzeichnend für den Elementenabstand, wenn
die beweglichen Elemente sich vor der Sensoreinrichtung befinden.
Die Signalverarbeitungseinrichtung enthält eine Einrichtung zum Liefern
eines elektrischen Signals, welches für den Luftspalt kennzeichnend
ist.
-
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Die Erfindung stellt eine deutliche
Verbesserung gegenüber
dem Stand der Technik dar, indem sie einen nicht-hinderlichen Sensor
schafft, der exakt den Abstand zwischen der Blattspitze und der
inneren Oberfläche
der Dichtung (d. h. den Luftspalt oder die Luftspaltgröße) bestimmt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass man anstelle
von Hohlleitern ein Koaxialkabel einsetzen kann, was den Aufbau
leichtgewichtig, billiger und weniger verlustfrei gestaltet, was
wiederum zu geringeren Leistungsanforderungen führt.
-
Außerdem kann die Erfindung das
Ausmaß des
Verschleißes
(oder die Dicke) der Dichtung direkt erfassen und messen. Außerdem kann
die Erfindung auch dann eingesetzt werden, wenn der Motor arbeitet,
nicht nur wenn er stillsteht.
-
Die obigen sowie weitere Ziele, Merkmale und
Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher im Lichte der nachfolgenden,
detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt
sind.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Luftspaltsensors (eines Blattspitzensensors), einer
Spalt-/Dicken-Messschaltung und dazwischen befindlichen elektrischen
Verbindungen gemäß der Erfindung.
-
2 ist
eine seitliche Schnittansicht eines Luftspalt- (oder Blattspitzen-)
Sensors für
den Fall, dass sich vor dem Sensor kein Blatt befindet, entsprechend
der vorliegenden Erfindung.
-
3 ist
eine grafische Darstellung der Phasendifferenz zwischen Referenz- und reflektierten
Mikrowellensignalen in Abhängigkeit
der Dichtungsdicke gemäß der Erfindung.
-
4 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der Spalt-/Dickenschaltung nach 1 gemäß der Erfindung.
-
Bester Weg
zum Ausführen
der Erfindung
-
Nunmehr auf 1 Bezug nehmend, enthält ein Mikrowellen-Luftspalt-
(oder Blattspitzen-) Sensorsystem einen Mikrowellen-Luftspaltsensor 10,
der an ein Ende eines Koaxialkabels 12, z. B. eine normgerechte
Koaxial-Mikrowellenleitung, die eine charakteristische Impedanz
von etwa 50 Ohm besitzt, angeschlossen ist. Das Koaxialkabel 12 ermöglicht das Übertragen
(oder Anregen) eines Mikrowellensignals 30, das an den
Sensor 10 gelangen soll, und den Empfang (oder Rückführung oder
Reflexion) eines Mikrowellensignals 32, welches von dem
Sensor 10 stammt. Das Koaxialkabel 12 ist mit
seinem anderen Ende an eine Spalt-/Dickenschaltung 14 angeschlossen,
welche die Mikrowellensignale 30 und 32 zu dem
bzw. von dem Sensor 10 liefert empfängt. Auf Wunsch können andere
Koaxialkabel oder Übertragungsmedien
und/oder Impedanzen verwendet werden.
-
Der Sensor 10 ist in einem
Gehäuse
(oder einer Gehäusung) 16 eines
Motors gelagert. Die am weitesten innen befindliche Zone des Motorgehäuses 16 enthält eine
verschleißfähige Dichtung 18 (das
ist eine Dichtung, die durch Abrieb oder Verschleiß weniger
werden kann), bestehend aus einem verschleißfähigen, elektrisch leitenden
hochtemperaturtähigen
Metall, und einer Rückenplatte 20 aus
einem elektrisch leitenden Hochtemperaturmaterial, z. B. Inco 718
(was Nickel, Cobalt und Stahl enthält). Die Dichtung 18 und
die Platte 20 haben jeweils eine Dicke von etwa 0,1 Zoll
(2,54 mm). Andere Dicken und Werkstoffe sind für die Dichtung 18 und
die Platte 20 möglich.
Der übrige
Außenbereich
des Gehäuses 16 ist
durch ein Bezugszeichen 22 bezeichnet und kann zahlreiche
Abschnitte und Schichten aus Werkstoffen in bekannter Weise enthalten.
Weitere mögliche
Werkstoffe für
die Dichtung 18 sind ebenfalls möglich. Außerdem können die Zonen 18, 20 und 22 aus
dem gleichen Material oder mehr als einem Werkstoff bestehen, falls
dies erwünscht
ist.
-
Der Sensor 10 ist in eine
Innenoberfläche 28 der
verschleißfähigen Dichtung 18 mit
einer vorbestimmten Ausnehmungstiefe oder -dicke D eingelassen,
die z. B. 25–50
mil (0,635–1,27
mm) beträgt.
andere Abstände
können
für den
Wert D nach Wunsch gewählt
werden. Wenn die Dichtung 18 verschleißt, nimmt das Ausmaß der Vertiefung
D zu. Um einen Blattkontakt mit dem Sensor 10 zu vermeiden,
sollte die Strecke d so gewählt
werden, dass die größer ist als
der maximale Abstand, den die Dichtung 18 zulässigerweise
hat, bevor sie vor einem Austausch der Dichtung 18 verschliessen
ist.
-
Der Sensor 10 erfasst das
Ausmaß des
sich einstellenden Verschleißes
der Dichtung 18, d. h. die Verminderung der Distanz D.
Außerdem
erfasst der Sensor 10 den Luftspalt (G) zwischen einer
Spitze 24 eines Blatts (einer Schaufel, eines Flügels 26 einerseits
und der inneren Oberfläche 28 der
Dichtung 18 andererseits, wie es im Folgenden erläutert wird).
-
Nunmehr auf 2 Bezug nehmend, enthält der Sensor 10 eine
Sensoranordnung 48, eine Zündkerzenanordnung 61 und
einen elektrischen Verbindungsdraht 60, der die beiden
Anordnungen 48 und 61 miteinander verbindet. Die
Sensoranordnung oder Fühlanordnung 48 enthält einen
Mittelleiter 50, der elektrisch mit einem Mittelleiter 70 eines
(im Folgenden beschriebenen) Koaxialkabels 12 verbunden
ist. Außerhalb
von und konzentrisch zu dem Leiter 50 befindet sich ein
Isolator 54 aus Hochtemperaturkeramik, beispielsweise Aluminiumoxid.
Außerhalb
von und konzentrisch mit dem Isolator 54 ist ein elektrisch geerdeter
Außenleiter 56 angeordnet.
Die Sensoranordnung 48 ist durch Schraubgewinde 53 mit
der Platte 20 verbunden und ist mit Gewinden 55 an
die Zündkerzenanordnung 61 gekoppelt.
Anstelle der Gewinde 53 kann der Sensor 10 auch
durch ein Loch in der Platte und der Dichtung 18 eingesetzt
sein, und der Außenbereich 22 des
Motorgehäuses 16 kann teilweise
mit einem Gewinde zur Aufnahme des Sensors 10 ausgestattet
sein. Der Sensor 10 kann mit einer Dichtung, beispielsweise
einem luftdichten Band oder einer Dichtungseinlage an der Grenzfläche 47 zwischen
der Oberseite der Platte 20 und der Anordnung 48 ausgestattet
sein, um eine Undichtigkeit an der Dichtung 18 zu minimieren.
Mit Hilfe weiterer Methoden kann jegliche Undichtigkeit auf Wunsch
minimiert werden. Außerdem
können
der Innenleiter 50, der Isolator 54 und der Außenleiter 56 mit
einem Klebstoff verbunden sein, beispielsweise einem Keramikklebstoff,
um eine Bewegung möglichst
gering zu halten. Alternativ kann die Länge L des Außenleiters 56 ausreichend
groß gewählt werden,
damit sich der Außenleiter über die
Außenzone 22 des
Gehäuses 16 hinaus
nach außen
erstreckt. Weitere Methoden zum Fixieren des Sensors 10 in
der Dichtung 18 können
auf Wunsch angewendet werden.
-
Die Abmessungen des Innenleiters 50,
des Isolators 54 und des Außenleiters 56 können in
Verbindung mit der Auswahl der Mikrowellenfrequenz so gewählt werden,
dass (1) vermieden wird, dass sich radial und in Umfangsrichtung
ausbreitende elektromagnetisch Moden höherer Ordnung ausbreiten; (2) elektromagnetische
Abstrahlung von dem offenen Ende des Sensors 10 (gegenüber den
Blättern 26) unterdrückt wird;
(3) eine direkte Kopplung zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter
vermindert wird, welche die Begrenzung elektrischer Felder reduzieren
würde;
und/oder (4) die Empfindlichkeit des Sensors 10 bezüglich der
Blätter 26 über den
erwarteten Bereich der Luftspalte (G) hinaus maximiert wird, ohne
dass dabei übermäßige Verluste
entstehen. Diese besonderen Merkmale sind nicht erforderlich, bieten
jedoch beste Leistungsfähigkeit.
-
Bei einer Sensoranregung von beispielsweise
20 GHz ist der Außenleiter 56 ein
hohler verjüngter
Zylinder mit Außendurchmessern
Dc1, Dc2 von etwa 0,9 cm bzw. 1,5 cm. Der größere Außendurchmesser Dc2 bildet einen
Anschlag beim Einsetzen des Sensors 10. Nach Wunsch kann
der Außenleiter 56 einen
gemeinsamen Außendurchmesser
Dc1 anstatt zwei unterschiedliche Außendurchmesser Dc1, Dc2 haben.
Der Innendurchmesser Dc3 des Außenleiters 56 in
der Nähe
des Leiters 50 (der auch der Außendurchmesser des Isolators 54 ist)
verjüngt
sich von einem Wert von etwa 6 mm bis hinab zu etwa 5 mm. Der Mittelleiter 50 ist
ein massiver verjüngter
Zylinder mit einem Durchmesser Dc4 (was auch dem Innendurchmesser
des Isolators 54 entspricht) von etwa 4 mm am breitesten
Punkt bei einer Verjüngung auf
etwa 3 mm. Die Länge
des geraden Teils 58 beträgt etwa 1 mm, der Pegelwinkel
beträgt
etwa 30° gegenüber der
Vertikalen. Die Verjüngung
trägt dazu bei,
den Innenleiter 50 und den Isolator 54 an einem Herausfallen
aus dem Außenleiter 56 zu
hindern. Die Gesamtlänge
L des Außenleiters 56 beträgt etwa
17 mm. Andere Längen,
Winkel und Abmessungen können
nach Wunsch gewählt
werden.
-
Der Isolator 54 steht in
Richtung der Blätter 26 etwa
1 mil (0,0254 mm) gegenüber
der Unterseite 51 des Außenleiters 56 vor.
Außerdem
ragt der Innenleiter 50 in Richtung der Blätter 56 um
etwa 2 mil (0,05 mm) gegenüber
der Unterseite 51 des Außenleiters 56 vor.
Dieser Vorsprung des Innenleiters 50 und des Isolators 54 ist
nicht erforderlich, trägt
aber dazu bei, den Erfassungsbereich des Sensors dadurch zu erhöhen, dass
die Erstreckung der elektrischen Grenzbereichsfelder gesteigert
wird.
-
Weitere Abmessungen und Formen für die Teile 50, 54 und 56 können nach
Wunsch gewählt werden.
Allgemein gilt, dass bei höherer
Erregungsfrequenz die zulässigen
Abmessungen geringer sind. Außerdem
gilt allgemein, dass bei größerer Oberfläche der
Seite 49 des Leiters 50 gegenüber den Blättern 26 die Erstreckung
der Randfelder 76 entsprechend intensiver und größer ist
und auch die Auflösung
und die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der
Dichtungsdicke und des Luftspalts entsprechend größer sind.
-
Der Verbindungsdraht 60 ist
ein elektrisch leitender Draht, der sich von einem kleinen Einführloch 57 in
der Oberseite des Leiters 50 zur Bodenseite der Zündkerzenanordnung
hin erstreckt. Eine Zone 59 um den Draht 60 zwischen
dem Draht 60 und dem Innendurchmesser des Außenleiters 56 herum
besteht aus Luft. Der Draht 60 ist etwa 7 mm lang und hat
einen Durchmesser von etwa 0,64 mm (8 mil). Nach Wunsch sind andere
Längen
und Durchmesser möglich
für den
Dreht 60, vorausgesetzt, seine Impedanz ist im wesentlichen
angepasst an die der Verbindungsteile 48 und 61.
Außerdem
kann die Zone 59 mit einem anderen Material als Luft gefüllt sein,
beispielsweise einem Hochtemperatur-Keramikwerkstoff, der für eine angepasste
Impedanz ausgelegt ist. Alternativ kann der Leiter 50 einen
leitenden Abschnitt aufweisen, der nach oben vorsteht und an den
Leiter 64 anschließt.
Andere Leitungsverbindungs-Übergänge können dazu
dienen, die Zündkerzenanordnung 61 nach
Wunsch mit der Sensoranordnung 84 zu verbinden.
-
Die Zündkerzenanordnung 61 kann
ein K Connector® Teile-Nr.
K102F von Wiltron oder ein äquivalenter
50-Ohm-Verbinder sein. Die Anordnung 61 ist etwa 8 mm lang
und hat einen Außendurchmesser
Ds1 von etwa 5 mm. Die Anordnung 61 ist mit den Schraubgewinden 55 im
oberen Teil des Außenleiters 56 fixiert.
Die Anordnung 61 enthält
einen Außenleiter
(oder "Zündkerze") 62, einen
Mittelleiter 64, einen zylindrischen Leiterwulst 66,
der in die Zündkerze 62 eingesetzt
und mit dieser elektrisch verbunden ist, und einen Isolator 68 zwischen
dem Mittelleiter 64 und dem leitenden Wulst 66.
Die Zündkerzenanordnung 61 ist
so ausgebildet, dass sie eine Impedanz hat, die im wesentlichen
angepasst ist an die des Koaxialkabels 12 (d. h. 50 Ohm).
Der Mittelleiter 64 ist zylindrisch, und ein Oberabschnitt 65 des
Leiters 64 steht etwa 5 mm gegenüber dem Wulst 66 und
dem Isolator 68 vor. Eine Zone 69 um den vorstehenden Abschnitt 65 zwischen
dem Abschnitt 65 und einem Innendurchmesser Ds2 der Zündkerze 62 herum
besteht aus Luft. Der Innendurchmesser Ds2 beträgt etwa 3 mm. Andere Werkstoffe
als Luft können nach
Wunsch verwendet werden, vorausgesetzt die Impedanz ist angepasst.
Außerdem
ist der Mittelleiter 64 hohl an jedem Ende, um Einsetzlöcher 63 und 67 für den Anschluss
an andere Leiter zu bilden. Das untere Einsetzloch 63 des
Leiters 64 hält
einen darin eingesetzten Draht 60, in das obere Einsetzloch 67 ist
ein Mittelleiter 70 des Koaxialkabels 12 eingesetzt. Weitere
Längen,
Formen, Abmessungen und Durchmesser der Zündkerzenanordnung 61 oder
eines Teils dieser Anordnung können
je nach Wunsch verwendet werden.
-
Das Koaxialkabel 12 enthält den von
einem elektrischen Isolator 72 umgebenden Mittelleiter 70. Der
Isolator 72 ist von einem elektrisch geerdeten Abschirmleiter 74 umgeben,
der seinerseits von einem Außenisolator 75 umgeben
ist. Ein Teil der Abschirmung 74 ist über den Außenisolator 75 gefaltet, und
an der Abschirmung 74 sowie am Ende des Kabels 12 befindet
sich eine Endkappe 80. Diese Endkappe 80 hat einen
Isolierteil 81, den der Leiter 70 durchsetzt,
außerdem
einen leitenden Abschnitt 83. Der leitende Abschnitt 83 der
Endkappe 80 besitzt einen Flansch 82, der sich
ausgehend von dem Endteil radial erstreckt, und an dem Flansch 82 ist
drehbar eine Mutter 84 gelagert. Außerdem gibt es eine leitende
Beilagscheibe 85 an der Endkappe 80, verbunden
mit dem Leiter 70. Der Innengewindeabschnitt der Mutter 84 ist
auf den Gewindeaußenabschnitt
der Zündkerze 62 über die
Schraubgewinde 55 aufgeschraubt. Wenn das Koaxialkabel 12 mit
dem Sensor 10 verbunden ist, erstreckt sich der Leiter 70 in
das obere Eintrittsloch 67 des Vorsprungs 65 des
Leiters 64 hinein. Die Zeichnung der 2 ist nicht maßstabsgetreu.
-
Die von dem Koaxialkabel 12 seitens
des Leiters 70 in Richtung des Innenleiters 50 gesehene Impedanz
beträgt
etwa 50 Ohm.
-
Anstelle der Sensoranordnung 48,
der "Zündkerzenanordnung" 61 und
des Verbindungsdrahts 60 können auch andere Konfigurationen,
Abmessungen, Gestaltungen und Werkstoffe verwendet werden, als sie
hier zur Ausbildung des Sensors 10 oder irgendeines Teils
von ihm vorgesehen sind, vorausgesetzt es handelt sich um ein koaxiales
Mikrowellen-Übertragungsmedium
mit einer Impedanz, die im wesentlichen an diejenige des Koaxialkabels 12 angepasst
ist.
-
Nunmehr auf die 1 und 2 Bezug
nehmend, liefert die Spalt-/Dickenschaltung 14 das Mikrowellen-Anregungs-
(oder Sende-) Signal 30, beispielsweise eine elektromagnetische
Transversalwelle (TEM), die in den Mittelleiter 70 des
Koaxialkabels 12 eingespeist wird, der elektrisch mit dem
Mittel leiter 50 der Sensoranordnung verbunden ist, wie es
oben diskutiert wurde. Die übertragene
elektromagnetische Welle 30 erreicht das Ende des Leiters 50 (2), und von dem Ende des
Leiters 50 gehen elektrische Feldlinien 76 zu
dem Außenleiter 56 und zu
der Dichtung 18 hin, die beide auf Massepotential (Erde)
liegen. Abhängig
von der Impedanz, welche die elektromagnetische Welle 30 am
Ende des Leiters 50 sieht, wird ein gewisser Anteil der
elektromagnetischen Energie zurück
in den Leiter 50 und entlang des Koaxialkabels 12 in
die Spalt-/Dickeschaltung 14 zurück reflektiert. Diese zurückgegebene oder
reflektierte elektromagnetische Welle ist durch die Linie 32 (1) angedeutet.
-
Die Spalt-/Dickenschaltung 14 (1) misst die Änderung
der Phasendifferenz zwischen der gesendeten elektromagnetischen
Welle 30 und der reflektierten Welle 32, um Ausgangssignale
auf den Leitungen 15 zu liefern, die kennzeichnend sind
für die
Größe des Hüftspalts
G und/oder die Dicke D der Dichtung 18 (was im Folgenden
näher diskutiert wird).
-
Nunmehr auf 3 Bezug nehmend, hängt, wenn sich kein Blatt vor
dem Sensor 10 befindet, die Abschlussimpedanz von der Dichtungsdicke
D ab. Insbesondere haben wir herausgefunden, dass, wenn die Dicke
D der Dichtung 18 abnimmt, d. h. wenn die Dichtung dünner wird),
beispielsweise aufgrund von Verschleiß, die von dem Ende des Leiters 50 gesehene
Abschlussimpedanz sich ändert
und sich demgemäß auch die
Phasendifferenz zwischen den beiden Wellen 30 und 32 ändert. Außerdem haben
wir herausgefunden, dass mit dem Verschleiß der Dichtung 18 (d.
h. mit einer Verringerung der Dicke D) die Phasenänderung
annähernd
linear ist, wie durch eine Kurve 100 angedeutet ist. Die
Kurve 100 wurde gewonnen durch Verschieben des Sensors 10 in
Richtung der Innenfläche 28 der
Dichtung 18, um dadurch eine verringerte Dichtungsdicke
D zu simulieren. Außerdem
haben wir herausgefunden, dass, wenn die Dichtung 18 anwächst anstatt
zu schrumpfen (bei einem anderen Anwendungstyp), die Messung im
wesentlichen bidirektionaler Natur ist, wie durch eine Kurve 102 angedeutet
ist. Die Kurve 102 wird gewonnen, indem die Sensoranordnung 100 von
den blättern 26 abgerückt wurde,
um so eine Dickenzunahme der Dicke D der Dichtung zu simulieren.
Die Kurve in 3 wurde
mit einer Anregungsfrequenz von 20 GHz erhalten. Die Kurven 100 und 102 zeigen
eine Änderung
der Phasendifferenz von 3° bei
einer Änderung
der Dichtungsdicke von etwa 0,112 Zoll (0,284 cm). Da existierende
Mikrowellen-Phasenmessgeräte Änderungen
von Phasendifferenzen von weniger als etwa 0,1° messen können, schafft die Erfindung
eine ausreichende Messgenauigkeit und -empfindlichkeit beim Messen
des Luftspalts. Ein typischer Wertebereich für die Werte des Luftspalts
G beträgt
etwa 0 bis 0,140 Zoll (0,355 cm), die für diese Luftspaltgröße typischerweise
erforderliche Genauigkeit beträgt
etwa +/– 0,001
Zoll (0,0254 mm). Außerdem
können
nach Wunsch andere Mikrowellenfrequenzen als die hier angegebenen Werte
verwendet werden, beispielsweise 1 bis 40 GHz.
-
Da die Kurven 100, 102 nach 3 für den Fall gelten, dass sich
vor dem Sensor 10 kein Blatt (Flügel/Schaufel) befindet, lässt sich
die Erfindung für
den Fall einsetzen, dass sich die Blätter 26 entweder nicht
bewegen oder sehr langsam umlaufen, d. h. wenn der Motor nicht arbeitet.
-
Alternativ lässt sich die Erfindung bei
in Betrieb befindlichem Motor einsetzen. In diesem Fall ist die
Phasendifferenzmessung synchronisiert mit dem Blatt-Vorbeilauf in der
Weise, dass die Messdaten bezüglich
des Dichtungsverschleißes
nicht erfasst oder aber ignoriert werden, wenn das Blatt 26 sich vor
dem Sensor 10 befindet. Eine Blatt-Synchronisation weist
solche Phasendifferenzen ab, die zu der Impedanz gehören, bei
der das Blatt sich vor dem Sensor 10 befindet. Eine Blatt-Synchronisation
lässt sich
auf verschiedene Weise erreichen, beispielsweise unter Einsatz einer
Synchron-Detektion, die mit der Blatt-Vorbeilauffrequenz verrastet
wird. Die Blatt-Vorbeilauffrequenz lässt sich ableiten aus entweder
der Impedanzmessung, dem reflektierten Signal, Phasenmessungen oder
unabhängig
von einem Blatt-Vorbeilaufsensor oder mit Hilfe eines Tachometers,
der die Drehzahl des Blatt-Vorbeilaufs angibt (was im Folgenden
näher diskutiert
wird).
-
Nunmehr auf 1 Bezug nehmend, lässt sich zunehmend zur Bestimmung
der Dicke D der Dichtung auch die Größe des Luftspalts G ermitteln, indem
der Abstand D2 zwischen dem Sensor 10 und dem Blatt 26 gemessen
wird.
-
Wenn das Blatt 26 sich vor
dem Sensor 10 befindet, wie dies in 1 durch die gestrichelte Linie 90 angedeutet
ist, stellt die von dem Leiter 50 (2) des Sensors 1 gesehene Impedanz
im wesentlichen einen Kurzschluss dar, und das Blatt 26 (1) reflektiert Energie aufgrund
von Änderungen der
Abschlussimpedanz in dem Wellenleiter. Im Ergebnis variiert die
Phasendifferenz zwischen gesendeten und reflektierten Wellen 30 und 32 mit
dem Blattabstand D2 zwischen dem Sensor 10 und der Blattspitze 24,
wie es an sich bekannt ist. Folglich lässt sich der Abstand D2 mit
Hilfe bekannter Mikrowellen-Phasendifferenz-Messmethoden messen, beispielsweise
offenbart in dem US-Patent 4 384 819 mit dem Titel "Proximity Sensing" von Baker, und in dem
UK-Patent 127 748 mit dem Titel "Improvements In
or Relating To Proximity Sensing Apparatus" von D. W. Temple.
-
Befindet sich das Blatt nicht vor
dem Sensor 10, so kann die Dicke D der Dichtung 18 in
der oben beschriebenen Weise gemessen werden. Folglich ermöglicht die
Kenntnis des Abstands D2 zwischen dem Sensor 10 und der
Blattspitze 24 sowie der Dichte D der Dichtung 28 die
Berechnung des Luftspalts G zwischen der Blattspitze 24 und
der Innenfläche
der Dichtung 18, indem man D von D2 subtrahiert (d. h.
G = D2 – D).
-
Nunmehr auf 4 Bezug nehmend, kann die Spalt-/Dicken-Schaltung 14 eine
Mikrowellenquelle 15 aufweisen, beispielsweise eine kohärente Quelle
mit geringem Phasenrauschen, die das Mikrowellen-Anregungssignal 30 über eine
Leitung 152 an einen Mikrowellenkoppler 154, beispielsweise
einen Mikrowellen-Zirkulator, gibt. Der Koppler 154 koppelt das
Mikrowellensignal 30 in das Koaxialkabel 12 ein, welches
an den Sender 10 angeschlossen ist. Außerdem empfängt der Koppler 154 das
reflektierte Signal 32 über
das Kabel 12 und gibt es auf eine Leitung 156.
Für optimale
Leistung sollte der Koppler 154 eine minimale Reflexion
des Rücklaufsignals 32 von dem
Koppler 154 in Richtung des Sensors 10 aufweisen.
Die Leitung 156 führt
zu einer Phasendetektorlogik 158, welche das reflektierte
Mikrowellensignal 32 empfängt und mit Hilfe von üblichen
Mikrowellen-Phasenmessmethoden ein Blattabstandssignal auf einer
Leitung 160 liefert, welches den Abstand zwischen Sensor
und Blatt, D2, angibt und ein Dichtungsdickensignal auf einer Leitung 162 liefert,
welches die Dicke D der Dichtung angibt.
-
Außerdem kann die Phasendetektorlogik 158 eine
Blattabstandslogik 164 und eine Dichtungsdickenlogik 166 enthalten.
die Blattabstandslogik 164 und die Dichtungsdickenlogik 166 lassen
sich als Einzelschaltung kombinieren oder als getrennte Schaltungen
ausführen,
falls dies erwünscht
ist.
-
Die Logikeinrichtungen 164 und 166 können beliebige
Standard-Mikrowellenschaltungen sein, die in der Lage sind, Mikrowellen-Phasendifferenzen
anhand von Anschlussimpedanzen des Koaxialkabels 12 zu
bestimmen, wie dies in dem US-Patent 4 359 683 mit dem Titel "Microwave Interferometer" von Chivers sowie
in dem UK-Patent 1 277 748 mit dem Titel "Improvements In or Relating To Proximity
Sensing Apparatus" von
D. W. Temple beschrieben ist. Außerdem können Teile der Spalt-/Dickenschaltung 14 ähnlich oder
identisch sein wie ein Mikrowellennetzwerk-Analysator des Modells
Nr. HP8510B Network Analyzer von Hewlett Packard.
-
Um eine Blatt-Synchronisation zu
erreichen, empfängt
die Phasendetektorlogik 158 außerdem Sperrsignale von der
Sperrlogik 174 über
Leitungen 170 und 172. die Sperrlogik 174 empfängt ein Blatt-Vorbeilaufsignal über eine
Leitung 176, welches kennzeichnend dafür ist, dass gerade das Blatt 26 sich
vor dem Sensor 10 befindet. Wenn das Blatt 26 sich
vor dem Sensor 10 befindet, liefert die Sperrlogik 174 ein
Dichtungsdicken-Sperrsignal mit hohem logischen Pegel über die
Leitung 170. Ansonsten hat das Dichtungsdicken-Sperrsignal
einen logischen Wert niedrigen Pegels. Wenn das Blatt-Vorbeilaufsignal auf
der Leitung 176 signalisiert, dass das Blatt 26 sich
nicht vor dem Sensor 10 befindet, liefert die Sperrlogik 174 ein
Blattabstand-Sperrsignal über
die Leitung 172 mit logisch hohem Pegel. Ansonsten ist das
Blattabstand-Sperrsignal auf logisch niedrigem Pegel. Die Sperrsignale
auf den Leitungen 170 schließen einander aus.
-
Wenn das Dichtungsdicken-Sperrsignal
aus der Leitung 172 aktiv (oder hoch) ist, ist die Dichtungsdickenlogik 166 gesperrt,
ansonsten ist die Logik 166 frei gegeben. Ähnlich gilt:
Wenn das Blattabstand-Sperrsignal auf der Leitung 170 aktiv
(oder hoch) ist, ist die Blattabstandslogik 164 gesperrt,
ansonsten ist sie freigegeben. Wenn die Logik 166 oder die
Logik 164 gesperrt ist, wird verhindert, dass Streusignale
abträglichen
Einfluss auf die Berechnungen der betreffenden Logik haben.
-
Die Leitungen 160 und 162 führen zu
der Luftspaltlogik 180, die die Größe des Luftspalts G (d. h.
D2 – D)
berechnet, welcher Wert auf die Leitung 182 gelangt. Alternativ
oder zusätzlich
zur Bildung des Luftspaltsignals kann die Spalt-/Dickenschaltung 14 das
Dichtungsdickensignal über
die Leitung 162 als Ausgangssignal liefern.
-
Die Phasendetektorlogik 158 lässt sich
leicht mit einem Referenzphasensignal (oder Referenzzeitsignal)
voreichen, welches am Ende des Koaxialkabels gemessen wird. Damit
treten im Fall von Phasenänderungen
(oder Änderungen
der Reflexionszeit) diese bei dem Referenzpunkt auf, der bei dem Eichvorgang
eingestellt wird. Außerdem
lassen sich Fehler durch Änderungen
im Kabel 12 beseitigen, wenn der Luftspalt G berechnet
wird, da sowohl D2 als auch D gemessen und subtrahiert wird.
-
Es sollte gesehen werden, dass bei
der Anpassung der Impedanz des Senders 10 an die des Kabels 12 und
bei der Anpassung sämtlicher
interner Impedanzen innerhalb des Sensors 10 eine optimale Leistung
und Empfindlichkeit erreicht wird, wobei das System aber immer noch
funktioniert, wenn es eine gewisse Impedanz-Fehlanpassung gibt.
Je größer die
Fehlanpassung, desto stärker
ist die Reflexion, und desto geringer ist der Rauschabstand. Das
Ausmaß der
zulässigen
Fehlanpassung schwankt je nach Anwendungsfall.
-
Um weiterhin Auswirkungen elektronischen Rauschens
zu unterdrücken,
kann ein bekannter elektronischer Mikrowellenmodulator 190 am
Ausgang der Quelle 150 vorgesehen sein, um das Anregungssignal 30 auf
der Leitung 152 zu modulieren. In diesem Fall würde ein
bekannter Synchrondemodulator oder -detektor 102 am Ausgang
des Kupplers 154 das über
die Leitung 156 kommende Rücklaufsignal demodulieren.
Die Modulationsschaltung 190 kann auch bequem innerhalb
der Quelle 150 vorgesehen werden, und die Demodulationsschaltung 192 kann
innerhalb der Phasendetektorlogik 159 angeordnet werden.
-
Außerdem sollte gesehen werden,
dass Teile der Spalt-/Dickenschaltung 14 mit einem Digitalrechner
in Software implementiert werden können. Außerdem können sämtliche Funktionen der Schaltung 14 durch
eine einzige elektronische Schaltung implementiert werden, oder
es können
nur einige oder alle von ihnen durch mehrere getrennte Schaltungen
realisiert werden.
-
Außerdem sollte gesehen werden,
dass mehrere Sensoren über
den Ring des Motors verteilt angeordnet werden können, um eine Spaltabstandsmessung
an mehreren Punkten vorzunehmen.
-
Während
die Erfindung in Verbindung mit einer Gasturbine erläutert wurde,
lässt sich
die Erfindung bei jeder Vorrichtung oder Maschine einsetzen, die
vorstehende Elemente wie z. B. Blätter, Schaufeln oder Zähe sowie
dazu benachbart eine verschleißfeste
Dichtung oder Verkleidung aufweist, die relativ zueinander bewegbar
sind, wobei das Messen des Abstands zwischen den Teilen erwünscht ist.
Die Elemente können
sich also bewegen, ebenso wie sich auch die Dichtung bewegen kann
und auch beide Teile bewegt werden können, jedenfalls relativ zueinander
bewegt werden. Außerdem
können
die Elemente innerhalb, außerhalb
oder parallel zu der Dichtungsfläche
angeordnet sein.
-
Darüber hinaus braucht die Erfindung
nicht einen Luftspalt nachzuweisen, sondern kann auch bloß die Dichtungsdicke
erfassen und dazu dienen, ein Dichtungsdicken-Messgerät zu bilden.
In diesem Fall würde
die Blattabstandslogik 164 ebenso wie die Luftspaltlogik 180 nicht
benötigt,
das einzige Ausgangssignal wäre
dasjenige der Logik 14 als Dichtungsdickensignal auf der
Leitung 162.