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Die
Erfindung betrifft die Messung von Kräften und insbesondere eine
Vorrichtung zum Messen des auf eine drehende Welle ausgeübten Axialschubs,
der sich über
ein Lager auf die feste Struktur überträgt, die diese Welle trägt.
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Die
Leistungsverbesserung der Maschinen verläuft über die Messung von Parametern,
die für
ihr Verhalten repräsentativ
sind, sei es im Rahmen von punktuellen Versuchen oder im Fall von
Messungen, die während
des Betriebs der Maschine kontinuierlich durchgeführt werden,
um. deren Betrieb zu verbessern und zu steuern.
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Die
Notwendigkeit, den Axialschub zu messen, der zwischen einer drehenden
Welle und einer diese tragenden festen Struktur ausgeübt wird,
manifestiert sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, im
Fall von Turbomaschinen, wie z.B. von industriellen Turbinen oder
Turbotriebwerken für
Flugzeuge. Es handelt sich gewöhnlich
um eine Welle oder einen Rotor, der über wenigstens ein mit wenigstens einer
Anschlagfunktion ausgestattetes Lager mit der festen Struktur verbunden
ist.
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Man
kennt zahlreiche Vorrichtungen, die eine solche Messung ermöglichen.
Eine der am weitesten verbreiteten umfaßt eine axial verformbare Verbindung
zwischen dem Lager und der festen Struktur sowie ein Mittel, um
diese Verformung zu messen und daraus den Axialschub herzuleiten,
der sie verursacht hat.
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Es
ist ersichtlich, daß solche
Vorrichtungen bereits im Zeitpunkt der Konzeption der Maschine vorgesehen
werden müssen
und daß sie
diese Konzeption durch ihren Raumbedarf und durch die Zwänge, die
sie auferlegen, belasten.
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Das
Problem, das zu lösen
ist, besteht darin, eine Vorrichtung zum Messen des auf eine drehende Welle
ausgeübten
Axialschubs vorzuschlagen, eine Vorrichtung, die leicht an einem
vorhandenen Gerät mit
minimaler Modifizierung dieses Geräts installiert werden kann,
wobei der Raumbedarf einer solchen Vorrichtung gering sein soll,
damit sie leicht in das vorhandene Gerät oder in jedes neue Gerät integriert werden
kann.
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Zur
Lösung
dieses Problems schlägt
die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des zwischen einer drehenden
Welle und einer festen Struktur ausgeübten Axialschubs vor, wobei
die drehende Welle relativ zu der festen Struktur von wenigstens
einem Lager geführt
wird, das wenigstens eine Anschlagfunktion aufweist, wobei das Lager
zu diesem Zweck einen drehenden Anschlag aufweist, der den Axialschub
aufnimmt, wobei der drehende Anschlag auf der drehenden Welle durch
ein axiales Verbindungsmittel durch auf den drehenden Anschlag wirkenden Druck
gehalten wird und wobei das axiale Verbindungsmittel den zwischen
der drehenden Welle und der festen Struktur ausgeübten Axialschub
aufnimmt.
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Eine
solche Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der drehende Anschlag eine axiale Verschiebung
auf der drehenden Welle ausführen
kann,
- b) zwei durch eine elastische Scheibe voneinander getrennte
Flansche auf der drehenden Welle am Ausgang des Lagers zwischen
dem axialen Verbindungsmittel und dem drehenden Anschlag angeordnet
sind, wobei diese Flansche jeweils eine Meßflanke aufweisen und die Meßflanken
in der gleichen Richtung gedreht werden,
- c) zwei mit der festen Struktur fest verbundene Verschiebungs-Meßsonden
jeweils gegenüber
einer Meßflanke
angeordnet sind,
- d) eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Differenz der Messungen
der genannten Sonden zu berechnen und daraus den Axialschub herzuleiten.
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Eine
solche Vorrichtung hat die Funktion, eine elastische Scheibe auf
der drehenden Welle unter Einwirkung des Axialschubs durch Kompression axial
zu verformen und aus der Messung der Positionsänderungen der Flanken der elastischen
Scheibe von der festen Struktur aus, den Wert des Axialschubs herzuleiten.
Die Meßvorrichtung
hat reduzierten Raumbedarf und kann leicht um die Welle in einer vorhandenen
Maschine oder im Verlauf der Konzeption integriert werden. Außer den
Mitteln, die für
die Befestigung der Elemente der Vorrichtung benötigt werden, sind keine Modifizierungen
der Welle und der festen Struktur erforderlich.
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Die
Erfindung hat auch den Vorteil, daß die Welle oder die aus der
festen Struktur und dem Lager bestehende Gesamtanordnung nicht geschwächt wird.
Darüber
hinaus kann die elastische Scheibe natürlich einer Druckkraft P widerstehen,
die sehr viel größer ist
als die Druckkräfte
P, die seinem elastischen Verformungsbereich entsprechen. Somit
kann eine anormale Vergrößerung von
P keinen Bruch im Bereich der Mittel der Erfindung hervorrufen.
Außerdem
bewirkt eine solche anormale Vergrößerung von P nur einen minimalen
Versatz der axialen Position der Welle.
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Der
Axialschub, der sich zwischen der drehenden Welle und der festen
Struktur überträgt, verläuft bei
dieser Vorrichtung nacheinander über
die axiale Verbindung auf die drehende Welle, einen ersten Flansch,
die elastische Feder, den zweiten Flansch, den drehenden Anschlag
und das Drucklager selbst, das die Axialkraft auf die feste Struktur überträgt. So wird
die elastische Scheibe durch den Axialschub komprimiert mit der
Wirkung, daß sie
verformt wird und die beiden Flansche einander angenähert werden.
Diese Annäherung
E ist gleich der Differenz der axialen Verschiebungen E1 und E2
der beiden Flansche, wobei E1 und E2 von den beiden Verschiebungs-Meßsonden
gemessen werden, die fest mit der festen Struktur verbunden sind.
Wenn man die axiale Steifigkeit der elastischen Feder mit K bezeichnet,
ist der Axialschub P durch folgende Gleichung gegeben: P = K × ΔE mit ΔE
= (E1 – E1)
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So
ermöglicht
die Vorrichtung die Messung des Axialschubs, ohne daß man die
feste Struktur oder die Welle mit Verformungszonen ausstatten muß, wodurch
ihre Unversehrtheit gewährleistet wird.
Die elastische Scheibe und die Flansche, die es ermöglichen,
deren Dicke mit Hilfe der Verschiebungs-Meßsonden zu messen, sind wenig
voluminös und
lassen sich leicht am Umfang der Welle integrieren.
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Die
elastische Scheibe und die Flansche werden vorteilhafterweise am
Ausgang des Lagers angeordnet, um den Raum zu nutzen, der die Welle an
dieser Stelle umgibt.
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Man
kann vorteilhafterweise auch kontaktlose Verschiebungs-Meßsonden
vom Wirbelstromtyp benutzen. Diese Sonden, die geringe Größe haben, können leicht
in die Maschine eingefügt
werden. Sie haben eine gute Empfindlichkeit in der Größenordnung
von 10 mV/μm,
so daß eine
sehr harte elastische Scheibe benutzt werden kann, damit eine nur sehr
geringe und damit vernachlässigbare
axiale Verschiebung des drehenden Organs unter Last verursacht wird.
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Die
elastische Feder mit der Dicke E besitzt schließlich vorteilhafterweise einen
Kern, auf dessen Seiten jeweils wenigstens zwei Vorsprünge versetzt angeordnet
sind. Eine solche Anordnung hat die Wirkung, daß die Änderung ΔE ihrer Dicke E durch die alternierende
Durchbiegung des Kerns zwischen den Vorsprüngen hervorgerufen wird, und
führt zu
dem Ergebnis, daß eine
elastische Scheibe verwendet werden kann, die bei reduziertem Raumbedarf
einen sehr ausgedehnten Steifigkeitsbereich bietet.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung und zur weiteren Verdeutlichung der mit ihr verbundenen
Vorteile wird im folgenden ein detailliertes Ausführungsbeispiel
beschrieben, wobei auf die anliegenden Figuren Bezug genommen wird.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem das axiale Verbindungsorgan eine Mutter ist,
die außerdem
die Funktion des ersten Flansches übernimmt,
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2 zeigt
in einer Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel
der elastischen Scheibe mit einem Kern, auf dessen einer Seite jeweils
vier Vorsprünge angeordnet
sind, die relativ zu den Vorsprüngen
der anderen Seite versetzt sind,
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3 zeigt
das gleiche Ausführungsbeispiel in
einer Profilansicht.
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Es
sei an erster Stelle auf 1 Bezug genommen. Die drehende
Welle 1 rotiert um eine geometrische Rotationsachse 2 im
Innern der festen Struktur 3 der Maschine. Die Welle 1 übt auf die
feste Struktur 3 einen mit 4 bezeichneten Axialschub
mit dem Wert P aus, der gemessen werden soll. Ein Lager 5 mit
hydrostatischem Auftrieb führt
die Welle 1 in ihrer Rotation und positioniert sie translatorisch.
Das Lager 5 besitzt eine feste zylindrische Bohrung 6,
die von zwei entgegengesetzten festen Anschlägen 7 und 8 flankiert
wird. Die zylindrische Bohrung 6 umschließt eine
zylindrische Tragfläche 9 der
Welle 1 und wirkt mit der zylindrischen Tragfläche 9 zusammen,
um die Führung
bei der Rotation der drehenden Welle 1 zu gewährleisten.
Das Lager 5 besitzt außerdem
zwei drehende Anschläge 10 und 11,
die auf der drehenden Welle 1 gegenüber den festen Anschlägen 7 und 8 angeordnet
sind und mit diesen festen Anschlägen 7, 8 zusammenwirken,
um die translatorische Positionierung der drehenden Welle 1 relativ zu
der festen Struktur 3 zu gewährleisten. Der drehende Anschlag 10 überträgt in diesem
Beispiel den Schub 4. Dieser drehende Anschlag 10 ist
natürlich auf
der der Richtung des Axialschubs 4 entgegengesetzten Seite
des Lagers 5 angeordnet und wird von einer Mutter 12 gehalten,
die als axiales Verbindungsmittel dient, wobei diese Mutter 12 auf
die drehende Welle 1 geschraubt ist und den Axialschub 4 auf
den drehenden Anschlag 10 überträgt. Der zweite drehende Anschlag 11,
der auf der anderen Seite des Lagers 5 liegt, ist im vorliegenden
Beispiel auf eine Schulter reduziert, die an der drehenden Welle 1 angebracht
ist.
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Der
drehende Anschlag 10, der den Schub 4 überträgt, ist
erfindungsgemäß auf der
drehenden Welle 1 gleitend montiert. Eine geringe axiale
Auslenkung ist ausreichend. Die Mutter 12 übernimmt
außerdem
die Funktion eines ersten Flansches 14 und weist die erste
Meßflanke 14a auf,
die in die der Richtung des Axialschubs 4 entgegengesetzte
Richtung weist, wobei diese erste Meßflanke 14a die Form
eines ebenen und zur geometrischen Achse 2 senkrechten
Kranzes hat. Zwischen der Mutter 12 und dem drehenden Anschlag 10 am
Ausgang 13 des Lagers 5 sind auf der Welle 1 aufeinanderfolgend
eine elastische Scheibe 15 sowie ein zweiter Flansch 16 angeordnet,
der eine zweite Meßflanke 16a besitzt, die
in der gleichen Richtung weist wie die erste Meßflanke 14a, wobei
diese zweite Meßflanke 16a ebenfalls
die Form eines ebenen und zur geometrischen Achse 2 senkrechten
Kranzes hat. Zwei Verschiebungs-Meßsonden 17 und 18,
die mit der festen Struktur 3 fest verbunden sind, sind
gegenüber
der ersten bzw. zweiten Meßflanke 14a und 16a der
Mutter 12 bzw. des zweiten Flansches 16 angeordnet. Man
erkennt, daß die
Mutter an einer auf der drehenden Welle 1 angebrachten
Schulter 19 zum Anschlag kommt, um den drehenden Anschlag 10 in
axialer Richtung präzise
zu positionieren. Die Funktion der Gesamtanordnung ist folgende.
Der auf die drehende Welle 1 ausgeübte Axialschub 4 überträgt sich über die
Mutter 12, die elastische Scheibe 15, den zweiten Flansch 16,
den drehenden Anschlag 10 und den festen Anschlag 7 auf
die feste Struktur 3. Unter der Einwirkung des Axialschubs 4 wird
die elastische Scheibe 15 in axialer Richtung komprimiert
und dadurch die Annäherung
der Meßflanken 14a und 16a der Mutter 12,
die als erste Flanke 14 dient, bzw. der zweiten Flanke 16 verursacht.
Diese Annäherung wird
ermittelt, indem man die Differenz bildet zwischen den von den Meßsonden 17 und 18 an
den Meßflanken 14a bzw. 16a vorgenommenen
Messungen.
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Die
Mutter 12 und der drehende Anschlag 10 sind vorteilhafterweise
z.B. durch einen Stift 20 drehfest miteinander verbunden.
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Es
wird nun gleichzeitig auf 2 und 3 Bezug genommen.
Die elastische Scheibe 15 besitzt einen Kern 25 in
Form einer flachen Scheibe mit rechteckigem Querschnitt mit zwei
Seiten 25a und 26b, auf denen jeweils äquidistante
Vorsprünge 26a bzw. 26b angeordnet
sind, wobei die Vorsprünge 26a auf
der Seite 25a relativ zu den Vorsprüngen 26b auf der anderen
Seite 25b versetzt sind. Die Oberflächen 15a und 15b der
Vorsprünge 26a bzw. 26b bilden
die Flanken 15a, 15b der elastischen Scheibe 15,
wobei diese Flanken 15a, 15b mit den Flanschen 14 und 16 in
Kontakt stehen. Unter der Einwirkung des Axialschubs 4 verformt
sich der Kern 25 alternativ und in axialer Richtung zwischen
den Vorsprüngen 26a, 26b,
was eine von dem Wert P des Axialschubs 4 abhängige Änderung ΔE der Dicke
E der elastischen Scheibe 15 bewirkt. Der einschlägige Fachmann kann
die Steifigkeit K der elastischen Scheibe 15 sehr einfach
einstellen, indem er mit der Dicke des Kerns 25, seiner
Breite sowie mit der Zahl der Vorsprünge 26a, 26b spielt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern
deckt im Gegenteil alle Varianten ab, die an diesen angebracht werden
können,
ohne daß weder
der Rahmen noch der Geist der Erfindung verlassen werden.
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So
können
die Flansche 14, 16 entweder getrennte Teile sein,
oder aber ihre Funktion kann von der Mutter 12 bzw. dem
drehenden Anschlag 10 übernommen
werden, der den Axialschub 4 aufnimmt.
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Das
axiale Verbindungsorgan 12, das im vorliegenden Beispiel
die oben erwähnte
Mutter ist, kann durch jedes äquivalente
Mittel ersetzt werden, z.B. durch eine Schulter, die an dem drehenden
Organ herausgearbeitet ist. In diesem Beispiel würde die Funktion des ersten
Flansches 14 vorteilhafterweise von dieser Schulter 12 übernommen,
auf deren einer Seite dann die erste Meßflanke 14a herausgearbeitet wäre.
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Es
sei auch noch bemerkt, daß die
Erfindung auf jeden Typ von Lager anwendbar ist, wie z.B. ein hydrodynamisches
Lager, ein Wälzlager
oder ein Lager, dessen drehender Ring die Funktion des drehenden
Anschlags 10 sicherstellen würde.