WO2012152515A1 - Drehmomentsensoranordnung und welle mit einer drehmomentsensoranordnung - Google Patents

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WO2012152515A1
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torque sensor
torque
sensor
distance
linear slide
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Hans-Gerd Brummel
Jürgen Götz
Uwe Linnert
Carl Udo Maier
Jochen Ostermaier
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
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    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means

Definitions

  • the present invention relates to a torque sensor assembly having a non-contact torque sensor. Moreover, the invention relates to a shaft with a shaft portion having a torque sensor assembly.
  • the permeability of ferromagnetic materials is influenced by mechanical stresses.
  • This physical Ef fect ⁇ known as the magnetoelastic effect can be used for measuring torque in a rotating object, since a torque generated voltages in the rotating object.
  • sensors There are a number of different sensors be ⁇ known that use the magnetoelastic effect to contactlessly detect torques, for example. Of waves.
  • the magnetic ⁇ toelastischen sensors are characterized by high accuracy, whereby a recalibration is no more needed, such as start of reference marks.
  • a magnetoelastic torque sensor which is used for measuring the torque of drive shafts, is known for example from DE 10 2009 008 074 AI.
  • a measuring arrangement for detecting the torque of a shaft which includes a positioned with a predetermined gap distance from the surface of the shaft torque sensor.
  • an electromagnetic coil attached ⁇ classified based on the change in the permeability in a ferromagnetic layer on the shaft or a ferromagnetic se wave with a signal change responding.
  • the shaft must be subjected to torsional stresses, ie the magnetoelastic torque sensor must travel along the Shaft between a driving torque and the ent ⁇ oppositely acting reaction torque can be arranged.
  • the wave formed from the ferromagnetic material is thereby part of the measuring device.
  • the bearing of the ring on the shaft takes place through a bearing bush, through sliding cups or ball bearings.
  • a torque sensor arrangement according to claim 1 has a non-contact torque sensor. This is arranged on an electrically operated linear slide.
  • the insbeson ⁇ particular may be a shaft, also with varying object Posi ⁇ tion in a suitable for the measurement area. It is not necessary to position the torque sensor by means of a ring comprising the shaft at this. It is therefore not necessary to provide an additional ball bearing or the like on the shaft, which would lead to additional wear.
  • the inventive torque ⁇ sensor arrangement further comprises a distance sensor which is net such angeord together with the torque sensor on the linear slide that it with the object of the ⁇ sen torque is to be determined, allows measuring the distance.
  • a distance sensor which is net such angeord together with the torque sensor on the linear slide that it with the object of the ⁇ sen torque is to be determined, allows measuring the distance.
  • a control unit which is connected to the distance sensor and for outputting a control signal to the linear slide, ei automatic start of the object is made possible with the torque sensor.
  • the control unit determines thereby the Steuersig ⁇ nal based on the output from the distance sensor distance signal, wherein the control signal represents a displacement of the torque sensor by means of the electrically driven linear slide by an amount which gradually brings the torque sensor to a predetermined distance to the object.
  • the distance of the torque sensor for Whether ⁇ ject during the measurement can be kept constant or intra- be kept half a predetermined distance interval.
  • the control unit determines the control signal on the Ba sis the deviation of the measured by means of the distance sensor nen distance from a predetermined nominal distance.
  • the control signal then represents that displacement of the Drehmo ⁇ ment sensor by means of the electrically driven Linearschlit ⁇ least, which is necessary to keep the torque sensor to target distance and to keep at a predetermined distance interval. If, in addition, from the nominal distance is mentioned, is intended to in ⁇ mer also the case of a distance interval indicating the distances to ⁇ transmitting the torque sensor to be measured from the Whether ⁇ ject to be embraced.
  • the torque sensor arrangement according to the invention may also comprise a non-contact temperature sensor, which is arranged such that it allows the contactless measurement of the temperature of the Tempe ⁇ object whose torque is to be determined. Measuring the temperature is advantageous because the temperature of the object whose torque is to be measured has an influence on the measurement. The data measured by the torque sensor can therefore be corrected based on the temperature if necessary.
  • a temperature sensor is, for example, an infrared sensor.
  • the torque sensor may optionally be arranged together with the distance sensor and / or the temperature sensor on a further linear slide, which is slidably disposed on the electrically operated linear slide in diesel BE direction as this is.
  • the further linear slide is pressed into a stop position on the electrically operated linear slide. It can be moved against the spring force from this An ⁇ impact position away. If, for example, take place due to a sudden movement of the object whose torque is to be measured ge, a contact between the sensor and the object, this further linear slide allows a deflection of the torque sensor, which in particular Damage to the object can be avoided.
  • the torque sensor may optionally be associated with the distance sensor and / or optionally together with the temperature sensor, a spacer in a direction over the Torque sensor and optionally protrudes beyond the distance sensor and / or the temperature sensor, in which the object whose torque is to be determined, is to be arranged in relation to the torque ⁇ sensor.
  • the spacer may be, for example, a metal ring surrounding the torque sensor, possibly together with the distance sensor and / or possibly together with the temperature sensor, whose axial direction corresponds to the direction of movement of the electrically operated linear slide.
  • a housing with at least one opening for the torque sensor ⁇ and possibly an opening for the distance sensor and / or possibly an opening for the temperature sensor may be present .
  • the openings for the torque sensor, the distance sensor and the temperature sensor can each be separate openings or a common opening for all sensors.
  • the electrically described linear slide has a measuring position, in which the torque sensor is optionally arranged together with the distance sensor and / or the temperature sensor in the region of the opening, so that the housing does not hinder the measurement.
  • the spacer can project beyond the housing when the electrically operated linear slide is in the measuring position.
  • an active protection device may be present, which is connected to the distance sensor for receiving its distance signal.
  • the protective device monitors the distance to the object whose torque is to be determined and be ⁇ moves the linear slide away from the object when a superiors specified minimum distance is fallen below.
  • Protective device may be present as the sole protection of the object and measuring arrangement, but it may also be present in addition to the further linear slide and / or the spacer. In the latter case, the additional linear discharge and / or the spacer provide additional passive protection in the event that a movement of the shaft takes place, which is too fast for a return of the electrically operated linear slide by means of the active protection device.
  • the torque sensor arrangement may be equipped with an evaluation unit which is connected to the torque sensor and the distance sensor for receiving the respective signals and determines the torque of the object whose torque is to be determined taking into account the distance from the object. Additionally or alternatively, an evaluation unit may be present, which is connected to the torque sensor and the temperature sensor for receiving the respective signals and determines the torque of the object whose torque is to be determined taking into account the temperature of the object. If both a temperature sensor and a distance sensor are provided, the evaluation unit can in particular be connected to both the temperature sensor as well as the distance sensor in order to receive the respective measuring signals and the torque taking into ⁇ actuating both of the distance and the temperature of the object to determine.
  • a magnetoelastic torque sensor is suitable as a torque sensor of the torque sensor arrangement according to the invention if the object to be measured consists of a ferromagnetic material or has a ferromagnetic surface layer.
  • a shaft with at least one shaft portion is provided in addition, which Wenig ⁇ least includes a torque sensor arrangement of the invention on ⁇ .
  • at least two torque sensor arrangements according to the invention may be present in the shaft section. But also more than two torque sensor arrangements are possible. If at least two torque sensor arrangements are present, they can, for example, be distributed uniformly over the circumference of the object whose torque is to be determined. Distributing a plurality of Drehmomentsensoranord ⁇ voltages increases the redundancy and makes it possible to recognize early on an error in the torque detection by Ver ⁇ equal to the acquired by means of the torque sensor arrangements different torques.
  • the shaft according to the invention is particularly suitable for a ⁇ set in combined cycle power plants, which are equipped with so-called Einwellenlagern.
  • the steam turbine and the gas ⁇ turbine are arranged on a common shaft, which transmits the torque to the generator.
  • Einwellenlagern the number of gas turbines that are arranged on a common shaft, which transmits the torque to the generator.
  • the individual outputs of the steam turbine and the gas turbine are then determined by calculation using a model. The exact conditions on the steam turbine belonging to the Wellenab ⁇ sections and belonging to the gas turbine shaft sections are not yet determined directly.
  • the di rect ⁇ determine the individual performances of the Dampfturbin and the gas turbine is possible, when an inventive Drehmomentsensoran ⁇ order are present in both the shaft portion of the steam turbine and in the shaft portion of the gas turbine in each case at least.
  • FIG. 1 shows a torque sensor arrangement according to the invention in the rest position.
  • FIG. 2 shows the torque sensor arrangement from FIG. 1 in FIG.
  • FIG. 3 schematically shows the torque sensor arrangement
  • Figure 1 seen from that object whose torque is to be determined.
  • Figure 4 shows a combined cycle power plant with a
  • Shaft comprising a plurality of inventive torque sensor ⁇ arrangements.
  • FIG. 5 shows the arrangement of the torque sensor arrangements in a cross section through the shaft.
  • FIGS. 1 to 3 An embodiment of an inventive torque ⁇ sensor arrangement will be described below with reference to FIGS. 1 to 3 While Figure 1 shows the Drehmomentsensoranord ⁇ voltage in the rest position, Figure 2 shows the arrangement in the measuring position. Figure 3 shows a view of the sensor arrangement from the direction of the object whose torque is to be ermit ⁇ telt.
  • the torque sensor arrangement according to the invention comprises a torque sensor 1, which in the present exemplary embodiment is a magneto-elastic torque sensor.
  • a torque sensor 1 which in the present exemplary embodiment is a magneto-elastic torque sensor.
  • a torque sensor 1 is a magneto-elastic torque sensor.
  • a magneto-elastic torque sensor Such is based on the inverse magnetostrictive effect, ie the effect that ferromagnetic materials change in the magnetic susceptibility when subjected to mechanical stresses. Since mechanical stresses are apart by tensile forces and compressive forces induced by torsion, the inverse magnetostrictive effect to Drehmo ⁇ ment measurement can be used to non-contact measuring torques of rotating objects that have at least one ferromagnetic surfaces ⁇ layer.
  • the torque sensor 1 is connected to an evaluation unit 3, which receives the signals detected by the magnetoelastic torque sensor 1 and with respect to the torque of the object, in the present embodiment, a shaft 5, which consists in the present embodiment of a ferromagnetic material determined. Since the inverse magnetostrictive effect also depends on the distance of the sensor 1 from the object 5 and on its temperature, the torque sensor arrangement also comprises a distance sensor 7 and a temperature sensor 9 (see FIG. 3) which perform a non-contact distance measurement or temperature measurement.
  • the non-contact distance measurement can be based, for example, on running time measurements or phase angle measurements by means of electromagnetic waves, such as radio waves,
  • a pyrometer can be used for non-contact temperature measurement.
  • the evaluation unit 3 is connected in addition to the torque sensor 1 with the distance sensor 7 and the temperature sensor 9 for receiving the corresponding measurement signals. This allows the determination of the torque based on the current exhaust stands of the torque sensor 1 of the object 5 and the ak ⁇ tual temperature of the object can be determined. If si ⁇ can be chergan that a variation in the distance does not take place or takes place only within limits that can be tolerated within the scope of measuring accuracy, can be dispensed taken into ⁇ account the distance in the evaluation of the torque sensor 1 signal. Accordingly, the measurement of the temperature can be dispensed with if the temperature is sufficiently constant so as not to falsify the measurement beyond the required accuracy.
  • the respectively existing sensors that is to say at least the torque sensor 1 and, in the present exemplary embodiment, also the distance sensor 7 and the temperature sensor 9, are arranged on a holder 11 in a fixed spatial relationship to one another.
  • the holder 11 with the sensors 1, 7, 9 is mounted on an electrically operated linear slide 13. This serves to position the sensors in front of the object 5 with the aid of the distance sensor 7 and a control loop.
  • the control loop comprises a control unit 15 and an adder 17, which is connected to the distance sensor 7 for receiving the distance signal.
  • the adder has an inverting input to which the distance signal is applied and a noninverting input to which a desired signal representing the desired distance is applied.
  • the difference between the desired signal and the distance signal is then forwarded to the control unit 15, which generates a control signal for the electrically operated linear slide 13 on the basis of this difference, which represents the displacement which is necessary to move the torque sensor 1 with the sensors to the desired distance to bring or keep on this.
  • an active protection function is also implemented in the control unit 15, so that it also serves as an active protection device.
  • This protective function monitors the current distance from the object 5 and pulls the electrically operated linear slide 13 back quickly from the working position shown in Figure 2, when a minimum safety distance is reached or exceeded. Such reaching or falling below the minimum safety distance is 5 occurring th. For example, swimming in the start-up operation of a combined cycle power plant, the shaft by the oil pressure on ⁇ what may trigger such movements with movements of the object.
  • the holder 11 with the sensors 1, 7 and 9 is arranged in the present embodiment, not directly on the electrically be ⁇ driven linear slide 11, but on a sprung carriage 19 which is pressed by a spring 21 in a front stop position of the electrically operated linear carriage 13 , as shown in Figures 1 and 2. It can be pressed against the spring force of the spring 21 from this front stop position when a force F (see arrow in FIG. 2) determined by the spring constant of the spring 21 acts on the holder 11 with the sensors 1, 7, 9.
  • This suspension carriage 19 thus performs a passive protective function, since it in case of contact ei ⁇ nes sensor with the object 5 yields so major damage prevented if the acti ⁇ ve protection device described in the previous paragraph is not able to fast enough to react, which, for example, in the case of an electrically operated linear slide 13 to rapid approach of the object 5 to the torque sensor 1 is possible.
  • Sensoran ⁇ order comprises a protective ring which is arranged to surround the torque sensor 1 on the holder. 11
  • the guard ring is as ⁇ in over the front end of the torque sensor 1 before, so that in the event of contact with the object 5 whose torque is to be determined, the torque sensor 1 is protected from damage.
  • the combination of all three safety functions provides good protection for both the object 5 and the torque sensor 1 in the event of inadvertent contact. If the distance sensor 7 or the temperature sensor 9 protrude as far beyond the holder as the torque sensor 1, These sensors can also be provided with such a protection ring. In general, however, it is sufficient if the sensor is provided with a guard ring which comes closest to the object 5 during operation of the torque sensor arrangement.
  • the holder 11 with the sensors 1, 7, 9, the electrically operated linear slide 13 and the spring-loaded Linearschlit ⁇ th 19 are arranged in a housing 25 which protects these elements from environmental influences.
  • the evaluation ⁇ unit 3 and the control circuit are arranged in this housing.
  • the housing 25 is seated ⁇ openings 43, 45, 47, the passage of a respective sensor or a direct view of the object 5 made ⁇ union.
  • the sensors 1, 7, 9 is positioned with the help of the electrically driven linear slide and the distance ⁇ sensor 7 and the control circuit in a desired distance in front of the object. 5
  • the data from the sensors are captured and converted to the desired file format using appropriate conversion algorithms. Since the measured values of the magnetoelasti ⁇ rule torque sensor 1 before the temperature of the object 5 and the distance of the torque sensor 1 of the object 5 hang off, in the present embodiment, the temperature and the distance in the evaluation algorithm of the Ausenseein ⁇ unit 3 will be considered.
  • the distance with the help of the electrically driven linear slide 13 is adjusted and maintained constant, but it is additionally algorithm included in Ausirealgo- what eg.
  • the data for the correction of the signals supplied by the torque sensor 1 can be obtained from a one-time calibration after installation of the sensor arrangement. If the object 5 changes position during the torque measurement , this can therefore be compensated for small movements solely by the algorithm. For larger movements of the object 5, a readjustment with the aid of the electrically operated linear slide 13 he follow ⁇ .
  • the evaluation unit 13 can be arranged in deviation from the illustrated in FIGS 1 through 3 embodiment outside the housing 25, for example in a Indust ⁇ rierechner.
  • the sensor arrangement is equipped with a data acquisition module, which analog Sensorsig ⁇ dimensional digitized and to a remotely located ⁇ movement of such data processing module, for example a disposed in the industrial controller data processing module passes.
  • the data ⁇ processing module can thereby be realized Siert as hardware or software.
  • the data are evaluated with the appropriate algorithms and the results sent to the control room.
  • the control loop for controlling the electrically driven linear slide 13 and / or the active safety can also be integrated standardized function. This embodiment is particularly appropriate when the housing 25 of the Drehmo ⁇ ment sensor arrangement to include only the most necessary elements or when a centralization of the evaluation and the control of the electrically driven linear slide 13 is intended to follow ER.
  • FIG. 4 show a combined gas and steam turbine power plant, which is constructed according to the single-shaft system concept.
  • Gas turbine 27 are arranged on a common shaft 5.
  • the gas turbine 27 is driven by means of the combustion gases of a combusted in a combustion chamber 39 air-fuel mixture, the steam turbine by means of steam, which is generated in a steam generator 41 with the aid of the waste heat of Gasturbi ⁇ ne 27.
  • it is useful for Opti ⁇ tion of the operation, each to know the individual performance of the steam and gas turbines. So far determined these achievements from the generator achievement and a model. The exact conditions at the individual shaft sections are not yet known.
  • torque sensor arrangements shown only in FIGS. 4 and 5 with their housing 25
  • torque sensor arrangements are arranged at different sections of the shaft 5, as shown in FIG.
  • locations of the torque sensor arrangements shown in the figure examples of possible positions In particular, does not need to be present at each of the ge Service ⁇ th places a torque sensor assembly 25.
  • locations torque sensor arrangements 25 are present As a rule, depends on which Wellenab ⁇ cut information about the torque to be detected.
  • a single torque sensor arrangement 25 is present at a section of the shaft 5.
  • the torque ⁇ sensor assemblies 25 are not on a common line through the shaft center. Although they need not be arranged at an angle of 90 ° to each other, but this is an advantageous arrangement when two-dimensional vibra ⁇ tion pattern to be determined.
  • the housing 25 has three separate openings 43, 45, 47 for the torque sensor 1, the distance sensor 7 and the temperature sensor 9.
  • the respective opening may also be closed with a plate permeable to electromagnetic waves in the frequency range used by the sensor.
  • the guard ring around all three sensors around may extend, in particular, when the distance sensor 7 and the temperature sensor 9 upstream are the same distance via the holder 11, as the torque sensor 1.
  • a protective ring 23 instead of a protective ring 23 merely provide a spacer, for example in the form of a pin, a partial ring or any other suitable geometric shape. In this case, it is merely necessary to ensure that, in the case of too great an approximation between the object whose torque is to be determined and the torque sensor arrangement, the spacer first comes into contact with the object.
  • the stability and shape of the ex ⁇ stand holder should ensure that this measure does not break off in the event of bankruptcy and the object as possible Do not damage ⁇ damaged.
  • the wave does not necessarily have to be a shaft of a gas and steam turbine power plant. If the shaft is part of a gas and steam turbine power plant, the number of turbines in the steam area of the power plant may be different than shown in FIGS. 4 and 5. As well it is not necessary that the shaft is made entirely of ferromagnetic material. It is sufficient if it has a ferromagnetic surface layer in the measuring range. In addition, it is also possible to arrange different torque sensor arrangements in the axial direction of the shaft 5 next to one another as an alternative or in addition to the redundant torque sensor arrangements arranged around the circumference.
  • the generator may be arranged between the gas turbine and the steam turbines, in which case a coupling may also be present between the generator and the steam turbines.
  • the present invention enables a simple installation and largely trouble-free operation of a torque ⁇ sensor, for example, to measure torques in shaft sections of the shaft of a combined cycle power plant with Einwellenlagen conception.
  • This is achieved by the arrangement of the sensors on an electrically operated linear slide, with the aid of which the sensors on the shaft can be positio ⁇ ned and retracts the sensors when not in use or fault for protection in a housing.
  • the design also includes a spring-loaded mechanism that picks up unexpected jolts from the shaft to the sensor. If this happens, a metal ring or other suitable spacer will at least protect the torque sensor from damage by intercepting the shock.

Abstract

Es wird eine Drehmomentsensoranordnung mit einem berührungslos arbeitenden Drehmomentsensor (1) zur Verfügung gestellt, in der der Drehmomentsensor (1) auf einem elektrisch betriebenen Linearschlitten (13) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Drehmomentsensoranordnung und Welle mit einer Drehmomentsensoranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoranordnung mit einem berührungslos arbeitenden Drehmomentsensor. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Welle mit einem Wellenabschnitt, der eine Drehmomentsensoranordnung aufweist.
Die Permeabilität ferromagnetischer Materialien wird durch mechanische Spannungen beeinflusst. Dieser physikalische Ef¬ fekt, der als magnetoelastischer Effekt bekannt ist, kann zum Messen von Drehmomenten in einem rotierenden Objekt herangezogen werden, da ein Drehmoment Spannungen in dem rotierenden Objekt erzeugt. Es sind eine Reihe verschiedener Sensoren be¬ kannt, die den magnetoelastischen Effekt verwenden, um kontaktlos Drehmomente bspw. von Wellen zu erfassen. Die magne¬ toelastischen Sensoren zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus, wobei eine Nachkalibrierung ebenso wenig erforderlich ist, wie das Anfahren von Referenzmarken.
Ein magnetoelastischer Drehmomentssensor, der zum Messen des Drehmoments von Antriebswellen zum Einsatz kommen, ist beispielsweise aus DE 10 2009 008 074 AI bekannt. In diesem Do¬ kument ist eine Messanordnung zum Erfassen des Drehmoments einer Welle beschrieben, die einen mit einem vorbestimmten Spaltabstand von der Oberfläche der Welle positionierten Drehmomentsensor umfasst.
Zur Messung von Drehmomenten an Kraft übertragenden Wellen von Maschinen wird in einem geringen Abstand von der Oberfläche der Welle kontaktlos eine elektromagnetische Spule ange¬ ordnet, die auf die Veränderung der Permeabilität in einer ferromagnetischen Schicht auf der Welle oder einer an sich ferromagnetischen Welle mit einer Signaländerung reagiert. Hierzu muss die Welle Torsionsspannungen ausgesetzt sein, d.h. der magnetoelastische Drehmomentsensor muss entlang der Welle zwischen einem antreibenden Drehmoment und dem ihm ent¬ gegengesetzt wirkenden Reaktionsdrehmoment angeordnet sein. Die aus dem ferromagnetischen Material gebildete Welle ist dadurch Teil der Messvorrichtung.
Wenn Positionsveränderungen der Welle während der Messung erfolgen, wird das Messergebnis, das sehr empfindlich auf den Abstand zwischen dem Sensor und der Welle reagiert, von den Positionsänderungen beeinflusst. Bereits Bewegungen um wenige zehntel Millimeter senkrecht zur Drehachse der Welle verrin¬ gern die Messgenauigkeit des Drehmomentsensors erheblich. Insbesondere bei technischen Anwendungen, in denen großdimensionierte Wellen zur Kraftübertragung zum Einsatz kommen, können solche Positionsveränderungen der Welle mit keinem wirtschaftlich vertretbaren technischem Aufwand beseitigt werden. In DE 10 2009 008 074 AI ist daher vorgeschlagen worden, den Drehmomentsensor mittels eines die Welle umgreifenden Ringes an dieser zu positionieren. Der Ring ist zudem mit einem Gehäuseabschnitt verbunden, um ihn gegen ein Mitdrehen mit der Welle zu sichern. Er ist dabei um eine Schwenkachse verschwenkbar und in Radialrichtung der Welle verschiebbar an dem Gehäuseabschnitt befestigt, so dass er Bewegungen der Welle mitmachen kann. Die Lagerung des Rings an der Welle erfolgt dabei durch eine Lagerbuchse, durch Gleitschalen oder durch Kugellager.
Im Lichte des beschriebenen Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Drehmo¬ mentsensoranordnung mit einem berührungslosen Drehmomentsen- sor zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Welle zur Ver¬ fügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch eine Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine Welle nach Anspruch 14. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung weist einen berührungslos arbeitenden Drehmomentsensor auf. Dieser ist auf einem elektrisch betriebenen Linearschlitten angeordnet.
Die Anordnung des Drehmomentsensors auf einem elektrisch be¬ triebenen Linearschlitten ermöglicht es, den Abstand des Drehmomentsensors von dem zu messenden Objekt, das insbeson¬ dere eine Welle sein kann, auch bei variierender Objektposi¬ tion in einem für die Messung geeigneten Bereich zu halten. Dabei ist es nicht nötig, den Drehmomentsensor mittels eines die Welle umfassenden Ringes an dieser zu positionieren. Es ist daher auch nicht nötig ein zusätzliches Kugellager oder ähnliches auf der Welle vorzusehen, welches zu zusätzlichem Verschleiß führen würde.
Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Drehmoment¬ sensoranordnung zudem einen Abstandssensor, der zusammen mit dem Drehmomentssensor auf dem Linearschlitten derart angeord net ist, dass er das Messen des Abstands zu dem Objekt, des¬ sen Drehmoment bestimmt werden soll, erlaubt. Auf diese Weis wird es möglich, den Abstand des Drehmomentsensors von dem Objekt genau einzustellen sowie etwaig auftretende Abstands¬ schwankungen zu erfassen und in der Auswertung des Messsignals zu berücksichtigen. Wenn zudem eine Steuereinheit vorhanden ist, die mit dem Abstandssensor und zur Ausgabe eines Steuersignals mit dem Linearschlitten verbunden ist, wird ei automatisches Anfahren des Objektes mit dem Drehmomentsensor ermöglicht. Die Steuereinheit ermittelt dabei das Steuersig¬ nal auf der Basis des vom Abstandssensor ausgegebenen Abstandsignals, wobei das Steuersignal eine Verschiebung des Drehmomentsensors mittels des elektrisch betriebenen Linearschlittens um einen Betrag repräsentiert, der den Drehmoment sensor auf einen vorgegebenen Abstand an das Objekt heranführt .
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung kann der Abstand des Drehmomentsensors zum Ob¬ jekt während der Messung konstant gehalten werden bzw. inner halb eines vorgegebenen Abstandsintervalls gehalten werden. Dazu ermittelt die Steuereinheit das Steuersignal auf der Ba sis der Abweichung des mit Hilfe des Abstandssensors gemesse nen Abstandes von einem vorgegebenen Sollabstand. Das Steuer signal repräsentiert dann diejenige Verschiebung des Drehmo¬ mentsensors mittels des elektrisch betriebenen Linearschlit¬ tens, die nötig ist, um den Drehmomentsensor auf Sollabstand zu halten bzw. im vorgegebenen Abstandsintervall zu halten. Wenn im Weiteren vom Sollabstand die Rede ist, soll dabei im¬ mer auch der Fall eines Abstandsintervalls, welches die zu¬ lässigen Abstände des Drehmomentsensors vom zu messenden Ob¬ jekt angibt, umfasst sein.
Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung kann außerdem einen berührungslosen Temperatursensor umfassen, der derart angeordnet ist, dass er das berührungslose Messen der Tempe¬ ratur des Objekts, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, erlaubt. Das Messen der Temperatur ist vorteilhaft, weil die Temperatur des Objekts, dessen Drehmoment gemessen werden soll, einen Einfluss auf die Messung hat. Die vom Drehmoment sensor gemessenen Daten können daher anhand der Temperatur ggf. korrigiert werden. Als Temperatursensor eignet sich bspw. ein Infrarotsensor.
Zum Schutz des Drehmomentsensors und des Objekts, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, kann der Drehmomentsensor ggf. zusammen mit dem Abstandssensor und/oder dem Temperatur sensor auf einem weiteren Linearschlitten angeordnet sein, der auf dem elektrisch betriebenen Linearschlitten in diesel be Richtung wie dieser verschiebbar angeordnet ist. Mittels einer Feder wird der weitere Linearschlitten in eine Anschlagsposition auf dem elektrisch betriebenen Linearschlitten gedrückt. Es kann gegen die Federkraft aus dieser An¬ schlagsposition weg verschoben werden. Sollte bspw. aufgrund einer plötzlichen Bewegung des Objekts, dessen Drehmoment ge messen werden soll, ein Kontakt zwischen dem Sensor und dem Objekt stattfinden, erlaubt dieser weitere Linearschlitten ein Ausweichen des Drehmomentsensors, wodurch insbesondere Beschädigungen des Objekts vermieden werden können. Um auch Beschädigungen des Drehmomentsensors sowie ggf. des Abstands¬ sensors und/oder des Temperatursensors vermeiden zu können, kann dem Drehmomentsensor ggf. zusammen mit dem Abstandssensor und/oder ggf. zusammen mit dem Temperatursensor ein Abstandshalter zugeordnet sein, der in eine Richtung über den Drehmomentsensor und ggf. über den Abstandssensor und/oder den Temperatursensor vorsteht, in der das Objekt, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, in Bezug auf den Drehmoment¬ sensor anzuordnen ist. Im Falle eines Kontakts mit dem Objekt erfolgt dieser nicht direkt mit dem Drehmomentsensor, sondern mit dem Abstandshalter, so dass der Drehmomentsensor und ggf. der Abstandssensor und/oder der Temperatursensor vor Beschädigungen geschützt sind. Der Abstandshalter kann etwa ein den Drehmomentsensor ggf. zusammen mit dem Abstandssensor und/ oder ggf. zusammen mit dem Temperatursensor umgebender Metallring sein, dessen Axialrichtung der Bewegungsrichtung des elektrisch betriebenen Linearschlittens entspricht.
Um den Drehmomentsensor und ggf. den Abstandssensor und/oder den Temperatursensor vor Umgebungseinflüssen zu schützen, kann ein Gehäuse mit zumindest einer Öffnung für den Drehmo¬ mentsensor und ggf. einer Öffnung für den Abstandssensor und/oder ggf. einer Öffnung für den Temperatursensor vorhanden sein. Die Öffnungen für den Drehmomentsensor, den Abstandssensor und den Temperatursensor können dabei jeweils voneinander getrennte Öffnungen sein oder eine für alle Sensoren gemeinsame Öffnung. Der elektrisch beschriebene Linearschlitten weist eine Messposition auf, in welcher der Drehmomentsensor ggf. zusammen mit dem Abstandssensor und/oder dem Temperatursensor im Bereich der Öffnung angeordnet ist, so dass das Gehäuse die Messung nicht behindert. Insbesondere kann der Abstandshalter über das Gehäuse vorstehen, wenn sich der elektrisch betriebene Linearschlitten in der Messposition befindet .
Mittels des weiteren Linearschlittens und des Abstandshalters kann ein passiver Schutz des Objekts, dessen Drehmoment er- mittelt werden soll, bzw. des Sensors oder der Sensoren im Falle eines unbeabsichtigten Kontaktes erzielt werden. Es ist jedoch wünschenswert, einen Kontakt zwischen dem Objekt und der Drehmomentsensoranordnung möglichst zu vermeiden. Zu die- sem Zweck kann eine aktive Schutzeinrichtung vorhanden sein, die mit dem Abstandssensor zum Empfang seines Abstandssignals verbunden ist. Die Schutzeinrichtung überwacht den Abstand zu dem Objekt, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, und be¬ wegt den Linearschlitten von dem Objekt weg, wenn ein vorge- gebener Mindestabstand unterschritten wird. Diese aktive
Schutzeinrichtung kann als alleiniger Schutz von Objekt und Messanordnung vorhanden sein, sie kann jedoch auch zusätzlich zu dem weiteren Linearschlitten und/oder dem Abstandshalter vorhanden sein. Im letzteren Fall bieten der weitere Linear- schütten und/oder der Abstandshalter einen zusätzlichen passiven Schutz für den Fall, dass eine Bewegung der Welle erfolgt, die für ein Zurückfahren des elektrisch betriebenen Linearschlittens mittels der aktiven Schutzeinrichtung zu schnell ist.
Die Drehmomentsensoranordnung kann mit einer Auswerteeinheit ausgestattet sein, die mit dem Drehmomentsensor und dem Abstandssensor zum Empfang der jeweiligen Signale verbunden ist und das Drehmoment des Objekts, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, unter Berücksichtigung des Abstands von dem Objekt ermittelt. Zusätzlich oder alternativ kann eine Auswerteeinheit vorhanden sein, die mit dem Drehmomentsensor und dem Temperatursensor zum Empfang der jeweiligen Signale verbunden ist und das Drehmoment des Objekts, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, unter Berücksichtigung der Temperatur des Objekts ermittelt. Falls sowohl ein Temperatursensor als auch ein Abstandssensor vorhanden sind, kann die Auswerteeinheit insbesondere sowohl mit dem Temperatursensor als auch mit dem Abstandssensor verbunden sein, um deren jeweiligen Messsignale zu empfangen und das Drehmoment unter Berücksich¬ tigung sowohl des Abstands als auch der Temperatur des Objekts zu ermitteln. Als Drehmomentsensor der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung eignet sich insbesondere ein magnetoelastischer Drehmomentsensor, wenn das zu messende Objekt aus einem fer- romagnetischen Material besteht oder eine ferromagnetische Oberflächenschicht aufweist.
Erfindungsgemäß wird darüber hinaus eine Welle mit wenigstens einem Wellenabschnitt zur Verfügung gestellt, welcher wenigs¬ tens eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung auf¬ weist. Insbesondere können in dem Wellenabschnitt wenigstens zwei erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnungen vorhanden sein. Aber auch mehr als zwei Drehmomentsensoranordnungen sind möglich. Falls wenigstens zwei Drehmomentsensoranordnungen vorhanden sind, können diese bspw. gleichmäßig über den Umfang des Objekts, dessen Drehmoment ermittelt werden soll, verteilt sein. Das Verteilen mehrerer Drehmomentsensoranord¬ nungen erhöht die Redundanz und ermöglicht es, durch Ver¬ gleich der mittels der unterschiedlichen Drehmomentsensoranordnungen erfassten Drehmomente einen Fehler in der Drehmomentermittlung frühzeitig zu erkennen.
Die erfindungsgemäße Welle eignet sich insbesondere zum Ein¬ satz in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken, die mit sogenannten Einwellenlagern ausgestattet sind. In solchen Gas- und Dampfturbinenkraftwerken sind die Dampfturbine und die Gas¬ turbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, welche das Drehmoment an den Generator überträgt. Zur Optimierung des Betriebs eines solchen Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes ist es sinnvoll, die individuellen Leistungen der Dampfturbine und der Gasturbine zu kennen. Bisher wird lediglich die Ge¬ samtleistung aus der Generatorleistung ermittelt. Die individuellen Leistungen der Dampfturbine und der Gasturbine werden dann anhand eines Modells rechnerisch bestimmt. Die genauen Verhältnisse an den zur Dampfturbine gehörenden Wellenab¬ schnitten und den zur Gasturbine gehörenden Wellenabschnitten werden bisher nicht direkt ermittelt. Mittels des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors ist das di¬ rekte Ermitteln der individuellen Leistungen der Dampfturbin und der Gasturbine möglich, wenn sowohl im Wellenabschnitt der Dampfturbine als auch im Wellenabschnitt der Gasturbine jeweils wenigstens eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoran¬ ordnung vorhanden sind.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren .
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung in Ruheposition.
Figur 2 zeigt die Drehmomentsensoranordnung aus Figur 1 in
Messposition .
Figur 3 zeigt schematisch die Drehmomentsensoranordnung aus
Figur 1 von demjenigen Objekt aus gesehen, dessen Drehmoment ermittelt werden soll.
Figur 4 zeigt ein Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer
Welle, die mehrere erfindungsgemäße Drehmomentsensor¬ anordnungen umfasst.
Figur 5 zeigt die Anordnung der Drehmomentsensoranordnungen in einem Querschnitt durch die Welle.
Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Drehmoment¬ sensoranordnung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschrieben. Während Figur 1 die Drehmomentsensoranord¬ nung in der Ruheposition zeigt, zeigt Figur 2 die Anordnung in der Messposition. Figur 3 zeigt eine Ansicht der Sensoranordnung aus Richtung des Objektes, dessen Drehmoment ermit¬ telt werden soll.
Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung umfasst einen Drehmomentsensor 1, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein magnetelastischer Drehmomentsensor ist. Ein solcher beruht auf dem inversen magnetostriktiven Effekt, also dem Effekt, dass ferromagnetische Materialien eine Änderung in der magnetischen Suszeptibilität erfahren, wenn sie mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Da mechanische Spannungen außer durch Zugkräfte und Druckkräfte auch durch Torsion induziert werden, kann der inverse magnetostriktive Effekt zur Drehmo¬ mentmessung herangezogen werden, um Drehmomente rotierender Objekte, die zumindest eine ferromagnetische Oberflächen¬ schicht besitzen, berührungslos zu messen.
Der Drehmomentsensor 1 ist mit einer Auswerteeinheit 3 verbunden, welche die vom magnetoelastischen Drehmomentsensor 1 erfassten Signale empfängt und im Hinblick auf das Drehmoment des Objektes, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Welle 5, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem ferro- magnetischen Material besteht, ermittelt. Da der inverse magnetostriktive Effekt auch vom Abstand des Sensors 1 von dem Objekt 5 sowie von dessen Temperatur abhängt, umfasst die Drehmomentsensoranordnung außerdem einen Abstandsensor 7 sowie einen Temperatursensor 9 (siehe Figur 3), die eine berührungslose Abstandsmessung bzw. Temperaturmessung durchführen. Die berührungslose Abstandsmessung kann beispielsweise auf der Basis von LaufZeitmessungen oder Phasenlagenmessungen mittels elektromagnetischer Wellen wie etwa Funkwellen,
Lichtwellen oder Infrarotwellen, oder mittels Ultraschallwellen erfolgen. Zur berührungslosen Temperaturmessung kann beispielsweise ein Pyrometer herangezogen werden. Die Auswerteeinheit 3 ist außer mit dem Drehmomentsensor 1 auch mit den Abstandssensor 7 und dem Temperatursensor 9 zum Empfang der entsprechenden Messsignale verbunden. Dadurch kann das Ermitteln des Drehmoments unter Berücksichtigung des aktuellen Ab- stands des Drehmomentsensors 1 von dem Objekt 5 bzw. der ak¬ tuellen Temperatur des Objektes ermittelt werden. Falls si¬ chergestellt werden kann, dass eine Variation des Abstands nicht erfolgt oder nur in Grenzen erfolgt, die im Rahmen der Messgenauigkeit toleriert werden können, kann auf die Berück¬ sichtigung des Abstandes in der Auswertung des Signals des Drehmomentsensors 1 verzichtet werden. Entsprechend kann auf das Messen der Temperatur verzichtet werden, wenn die Tempe- ratur hinreichend konstant ist, um keine Verfälschung der Messung über die benötigte Genauigkeit hinaus herbeizuführen.
Die jeweils vorhandenen Sensoren, also zumindest der Drehmo- mentsensor 1 und im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch der Abstandssensor 7 und der Temperatursensor 9, sind auf einem Halter 11 in einer festen räumlichen Beziehung zueinander angeordnet. Der Halter 11 mit den Sensoren 1, 7, 9 ist auf einem elektrisch betriebenen Linearschlitten 13 montiert. Die- ser dient dazu, die Sensoren vor dem Objekt 5 mit Hilfe des Abstandssensors 7 und eines Regelkreises zu positionieren. Dazu umfasst der Regelkreis eine Regeleinheit 15 und einen Addierer 17, der mit dem Abstandssensor 7 zum Empfang des Abstandssignals verbunden ist. Der Addierer weist einen inver- tierenden Eingang auf, an den das Abstandssignal angelegt ist, und einen nicht invertierenden Eingang, an den ein den Sollabstand repräsentierendes Sollsignal angelegt ist. Die Differenz zwischen Sollsignal und Abstandssignal wird dann an die Regeleinheit 15 weitergegeben, welche auf der Basis die- ser Differenz ein Steuersignal für den elektrisch betriebenen Linearschlitten 13 generiert, welches diejenige Verschiebung repräsentiert, die nötig ist, um den Drehmomentsensor 1 mit den Sensoren auf Sollabstand zu bringen bzw. auf diesem zu halten .
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Regeleinheit 15 zudem eine aktive Schutzfunktion implementiert, sodass sie auch als aktive Schutzeinrichtung dient. Diese Schutzfunktion überwacht den aktuellen Abstand von dem Objekt 5 und zieht den elektrisch betriebenen Linearschlitten 13 rasch aus der in Figur 2 dargestellten Arbeitsposition zurück, wenn ein minimaler Sicherheitsabstand erreicht oder unterschritten wird. Ein solches Erreichen oder Unterschreiten des minimalen Sicherheitsabstandes kann bei Bewegungen des Objektes 5 auftre- ten. Beispielsweise kann im Hochfahrbetrieb eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes die Welle durch den Öldruck auf¬ schwimmen, was unter Umständen derartige Bewegungen auslösen kann . Der Halter 11 mit den Sensoren 1, 7 und 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht unmittelbar auf dem elektrisch be¬ triebenen Linearschlitten 11 angeordnet, sondern auf einem gefederten Schlitten 19, der mittels einer Feder 21 in eine vordere Anschlagsposition des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 gedrückt wird, wie dies in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Er kann gegen die Federkraft der Feder 21 aus dieser vorderen Anschlagsposition gedrückt werden, wenn eine durch die Federkonstante der Feder 21 festgelegte Kraft F (vgl. Pfeil in Figur 2) auf den Halter 11 mit den Sensoren 1, 7, 9 einwirkt. Dieser gefederte Schlitten 19 erfüllt somit eine passive Schutzfunktion, da er im Falle des Kontaktes ei¬ nes Sensors mit dem Objekt 5 nachgibt um so größeren Schaden verhindert, falls die im vorherigen Absatz beschriebene akti¬ ve Schutzeinrichtung nicht in der Lage ist, schnell genug zu reagieren, was bspw. im Falle einer für den elektrisch betriebenen Linearschlitten 13 zu raschen Annäherung des Objektes 5 an den Drehmomentsensor 1 möglich ist.
Als ein weiteres passives Schutzsystem umfasst die Sensoran¬ ordnung einen Schutzring, welcher den Drehmomentsensor 1 umgebend am Halter 11 angeordnet ist. Der Schutzring steht da¬ bei über das vordere Ende des Drehmomentsensors 1 vor, sodass im Falle eines Kontaktes mit dem Objekt 5, dessen Drehmoment bestimmt werden soll, der Drehmomentsensor 1 vor Beschädigungen geschützt ist. Insbesondere die Kombination aus allen drei Sicherheitsfunktionen stellt einen guten Schutz sowohl für das Objekt 5 als auch den Drehmomentsensor 1 im Falle ei- nes unbeabsichtigten Kontaktes dar. Falls der Abstandssensor 7 oder der Temperatursensor 9 genauso weit über den Halter überstehen, wie der Drehmomentsensor 1, können diese Sensoren ebenfalls mit einem solchen Schutzring versehen werden. In der Regel ist es aber ausreichend, wenn derjenige Sensor mit einem Schutzring versehen ist, welcher dem Objekt 5 beim Betrieb der Drehmomentssensoranordnung am nächsten kommt. Dies ist üblicherweise der Drehmomentssensor 1. Der Halter 11 mit den Sensoren 1, 7, 9, der elektrisch betriebene Linearschlitten 13 sowie der gefederte Linearschlit¬ ten 19 sind in einem Gehäuse 25 angeordnet, welches diese Elemente vor Umgebungseinflüssen schützt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in diesem Gehäuse auch die Auswerte¬ einheit 3 sowie der Regelkreis angeordnet. Das Gehäuse 25 be¬ sitzt Öffnungen 43, 45, 47, die ein Hindurchtreten des jeweiligen Sensors oder eine direkte Sicht auf das Objekt 5 ermög¬ lichen .
Wenn im Betrieb der Drehmomentsensoranordnung eine Messung gestartet werden soll, werden die Sensoren 1, 7, 9 mit Hilfe des elektrisch betriebenen Linearschlittens und des Abstands¬ sensors 7 sowie dem Regelkreis in einem Sollabstand vor dem Objekt 5 positioniert. Die Daten der Sensoren werden erfasst und über entsprechende Umrechungsalgorithmen in das gewünschte Dateiformat gebracht. Da die Messwerte des magnetoelasti¬ schen Drehmomentsensors 1 vor der Temperatur des Objektes 5 und dem Abstand des Drehmomentsensors 1 von dem Objekt 5 ab- hängen, werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Temperatur und der Abstand im Auswertealgorithmus der Auswerteein¬ heit 3 berücksichtigt. Zwar wird der Abstand mit Hilfe des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 eingestellt und konstant gehalten, jedoch wird er zusätzlich im Auswertealgo- rithmus berücksichtigt, was bspw. im Falle von innerhalb zu¬ lässiger Grenzen schwankenden Abständen, bei denen kein Nachpositionieren mit Hilfe des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 erfolgt, zu einer höheren Präzision der Drehmo¬ mentsmessung führt. Die Daten für die Korrektur der vom Dreh- momentsensor 1 gelieferten Signale können aus einer einmaligen Kalibrierung nach der Installation der Sensoranordnung gewonnen werden. Wenn das Objekt 5 während der Drehmomentmes¬ sung die Position verändert, kann dies daher bei kleinen Bewegungen alleine durch den Algorithmus ausgeglichen werden. Bei größeren Bewegungen des Objektes 5 kann eine Nachregelung mit Hilfe des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 er¬ folgen . Die Auswerteeinheit 13 kann in Abweichung von dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel außerhalb des Gehäuses 25 angeordnet sein, beispielsweise in einem Indust¬ rierechner. In diesem Fall ist die Sensoranordnung mit einem Datenerfassungsmodul ausgestattet, welches analoge Sensorsig¬ nale digitalisiert und an ein entfernt angeordnetes Datenver¬ arbeitungsmodul, beispielsweise ein in dem Industrierechner angeordnetes Datenverarbeitungsmodul, weitergibt. Das Daten¬ verarbeitungsmodul kann dabei als Hard- oder Software reali- siert sein. In dem Datenverarbeitungsmodul werden die Daten mit den entsprechenden Algorithmen ausgewertet und die Ergebnisse an den Leitstand gesendet. In das Datenverarbeitungsmo¬ dul kann zudem der Regelkreis zur Steuerung des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 und/oder die aktive Sicher- heitsfunktion integriert sein. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn das Gehäuse 25 der Drehmo¬ mentsensoranordnung nur die notwendigsten Elemente enthalten soll oder wenn eine Zentralisierung der Auswertung und der Steuerung des elektrisch betriebenen Linearschlittens 13 er- folgen soll.
Ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Drehmoment¬ sensoranordnung ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Diese Figuren zeigen ein kombiniertes Gas- und Dampfturbinenkraft- werk, welches nach dem Einwellenanlagen-Konzept aufgebaut ist. Dies bedeutet, dass sowohl die Gasturbine 27 als auch die Dampfturbine, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel je¬ weils eine Turbine für niedrigen Druck 29, eine Turbine für mittleren Druck 31 und eine Hochdruckturbine 33 umfasst, ge- meinsam mit dem Generator 35 und dem Verdichter 37 für die
Gasturbine 27 auf einer gemeinsamen Welle 5 angeordnet sind. Die Gasturbine 27 wird mittels der Verbrennungsgase eines in einer Brennkammer 39 verbrannten Luft-Brennstoffgemisches angetrieben, die Dampfturbine mittels Dampf, welcher in einem Dampferzeuger 41 unter Zuhilfenahme der Abwärme der Gasturbi¬ ne 27 erzeugt wird. Bei derartigen Anlagen ist es zur Opti¬ mierung des Betriebes sinnvoll, jeweils die individuelle Leistung der Dampf- und Gasturbinen zu kennen. Bisher werden diese Leistungen aus der Generatorleistung und einem Modell ermittelt. Die genauen Verhältnisse an den einzelnen Wellenabschnitten sind bisher nicht bekannt.
Im vorliegenden Anwendungsbeispiel werden mit Hilfe erfin¬ dungsgemäßer Drehmomentsensoranordnungen die jeweiligen Drehmomente einzelner Wellenabschnitte ermittelt. Hierzu sind Drehmomentsensoranordnungen (in den Figuren 4 und 5 lediglich mit ihrem Gehäuse 25 dargestellt) , an unterschiedlichen Ab¬ schnitten der Welle 5 angeordnet, wie es in Figur 4 gezeigt ist. Dabei stellen die in der Figur gezeigten Orte der Drehmomentsensoranordnungen lediglich Beispiele für mögliche Positionen dar. Insbesondere braucht nicht an jedem der gezeig¬ ten Orte eine Drehmomentsensoranordnung 25 vorhanden zu sein. An welchen Orten Drehmomentsensoranordnungen 25 vorhanden sind, hängt in der Regel davon ab, von welchen Wellenab¬ schnitten Informationen über das Drehmoment erfasst werden sollen .
Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn an einem Abschnitt der Welle 5 eine einzige Drehmomentsensoranordnung 25 vorhanden ist. Um eine erhöhte Redundanz zu erzielen, kann es jedoch vorteilhaft sein, wenigstens 2 Drehmomentsensoranordnungen 25 um den Umfang der Welle 5 herum anzuordnen, wie dies beispielhaft in Figur 5 dargestellt ist. In Figur 5 ist dabei eine Anordnung gewählt, die es zudem ermöglicht, über die Ab¬ standssensoren 7 der Drehmomentanordnungen im Falle einer Schwingung der Welle 5 die Schwingungsrichtung zu ermitteln. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, dass die Drehmoment¬ sensoranordnungen 25 nicht auf einer gemeinsamen Linie durch den Wellenmittelpunkt liegen. Zwar müssen sie auch nicht im Winkel von 90° zueinander angeordnet sein, jedoch ist dies eine vorteilhafte Anordnung, wenn zweidimensionale Schwin¬ gungsmuster ermittelt werden sollen. Weiterhin ist es möglich, statt der in Figur 5 gezeigten zwei Drehmomentsensoranordnungen 25 drei oder mehr Drehmomentsensoranordnungen vorzusehen, die beispielsweise in regelmäßigen Abständen um den Umfang der Welle 5 herum verteilt sein können. Im Sinne einer Redundanz sind jedoch zwei Drehmomentsensoranordnungen bereits ausreichend.
Die mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschriebene Drehmo- mentsensoranordnung sowie die mit Bezug auf die Figuren 4 und 5 beschriebene Welle stellen beispielhafte Aus führungs formen der Erfindung dar, die jedoch auch abgewandelt werden können. So weist das Gehäuse 25 im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei getrennte Öffnungen 43, 45, 47 für den Drehmomentsensor 1, den Abstandssensor 7 bzw. den Temperatursensor 9 auf. Im Falle des Abstandssensors 7 und des Temperatursensors 9 kann die jeweilige Öffnung auch mit einer für elektromagnetische Wellen in dem vom Sensor verwendeten Frequenzbereich durchlässigen Platte verschlossen sein. Grundsätzlich kann aber auch eine gemeinsame Öffnung für alle drei Sensoren vorhanden sein, wie sie in Figur 3 gestrichelt dargestellt ist. Ent¬ sprechend kann sich auch der Schutzring um alle drei Sensoren herum erstrecken, insbesondere, wenn der Abstandssensor 7 und der Temperatursensor 9 genauso weit über den Halter 11 vor- stehen, wie der Drehmomentsensor 1. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, statt eines Schutzringes 23 lediglich einen Abstandshalter beispielsweise in Form eines Stiftes, eines Teilringes oder einer sonstigen geeigneten geometrischen Form vorzusehen. Dabei ist lediglich sicherzustellen, dass der Ab- standshalter im Falle einer zu großen Annäherung zwischen dem Objekt, dessen Drehmoment ermittelt werden soll, und der Drehmomentsensoranordnung als erstes mit dem Objekt in Berührung kommt. Zudem sollte die Stabilität und Form des Ab¬ standshalters gewährleisten, dass dieser im Falle eines Kon- taktes nicht abbricht und das Objekt möglichst nicht beschä¬ digt .
Auch von der in Figur 4 und Figur 5 dargestellten Welle kann abgewichen werden. So muss die Welle nicht unbedingt eine Welle eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes sein. Falls die Welle Teil eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes ist, kann die Zahl der Turbinen im Dampfbereich des Kraftwerkes anders sein, als dies in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist. Ebenso ist es nicht nötig, dass die Welle vollständig aus ferromag- netischem Material besteht. Es ist ausreichend, wenn sie im Messbereich eine ferromagnetische Oberflächenschicht besitzt. Zudem besteht auch die Möglichkeit, alternativ oder zusätzlich zu den um den Umfang herum angeordneten Redundanten Drehmomentsensoranordnungen verschiedene Drehmomentsensoranordnungen in Axialrichtung der Welle 5 nebeneinander anzuordnen. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass die in Figur 4 dargestellte Anordnung lediglich eine von mehreren möglichen Einwellenanlagen-Konzeptionen darstellt. In einer alternativen Konzeption kann der Generator zwischen der Gasturbine und den Dampfturbinen angeordnet sein, wobei dann zwischen dem Generator und den Dampfturbinen auch eine Kupplung vorhanden sein kann.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen einfachen Einbau und einen weitgehend störungsfreien Betrieb eines Drehmoment¬ sensors beispielsweise zum Messen von Drehmomenten in Wellenabschnitten der Welle eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes mit Einwellenlagen-Konzeption. Dies wird durch die Anordnung der Sensoren auf einem elektrisch betriebenen Linearschlitten erreicht, mit dessen Hilfe die Sensoren an der Welle positio¬ niert werden können und der die Sensoren bei Nichtgebrauch oder bei Störung zum Schutz in ein Gehäuse zurückzieht. Die Konstruktion enthält zudem eine gefederte Mechanik, die unerwartete Stöße von der Welle auf den Sensor auffängt. Falls dies passieren sollte, schützt zudem ein Metallring oder ein anderer geeigneter Abstandshalter zumindest den Drehmomentsensor vor Schäden, in dem er den Stoß abfängt. Zudem ist eine Regelung vorhanden, die den Sensor bei Unterschreiten eines Sicherheitsabstandes in das Gehäuse zurückzieht. Speziell im Hochfahrbetrieb von Gas- und Dampfturbinen mit Einwellenlagen-Konzeption bietet eine solche Konstruktion Vorteile, da die Welle beim Anfahren aufschwimmen kann und sich die Distanz zwischen Sensor und Welle dabei ändert. Der Aufbau der Drehmomentsensoranordnung und die Art und Weise der Messung sind so gestaltet, dass eine möglichst hohe Prozession der Messung der Torsionsmomente und Torsionsschwingungen der Welle möglich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Drehmomentsensoranordnung mit einem berührungslos arbeitenden Drehmomentsensor (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (1) auf einem elektrisch betriebenen Linearschlitten (13) angeordnet ist.
2. Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem ein Abstandssensor (7) auf dem Line- arschlitten (13) derart angeordnet ist, dass er das Messen des Abstandes zu dem Objekt (5), dessen Drehmoment bestimmt werden soll, erlaubt.
3. Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (15), die
- mit dem Abstandssensor (7) verbunden ist,
- zur Ausgabe eines Steuersignals mit dem Linearschlitten verbunden ist, und
- das Steuersignal auf der Basis des vom Abstandssensor (7) ausgegebenen Abstandssignals ermittelt, wobei das Steuer¬ signal eine Verschiebung des Drehmomentsensors (1) mittels des elektrisch betriebenen Linearschlittens (13) um einen Betrag repräsentiert, der den Drehmomentsensor (1) auf ei¬ nen vorgegebenen Sollabstand an das Objekt (5) heranführt.
4. Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) das Steuersignal auf der Basis der Abweichung des mittels des Abstandssensors (7) gemessenen Abstands von dem vorgegebenen Sollabstand ermit- telt, und das Steuersignal diejenigen Verschiebung des Drehmomentsensors (1) mittels des elektrisch betriebenen Linearschlittens (13) repräsentiert, die nötig ist, um den Drehmo¬ mentsensor (1) auf Sollabstand zu halten.
5. Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem einen berührungslosen Temperatursensor (9) umfasst, der derart angeord- net ist, dass er das berührungslose Messen der Temperatur des Objekts (5), dessen Drehmoment bestimmt werden soll, erlaubt.
6. Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Drehmomentsen¬ sor (1) ggf. zusammen mit dem Abstandssensor (7) und/oder ggf. zusammen mit dem Temperatursensor (9) auf einem weiteren Linearschlitten (19) angeordnet ist bzw. sind, wobei der wei¬ tere Linearschlitten (19) auf dem elektrisch betriebenen Li- nearschlitten (13) in dieselbe Richtung wie dieser verschiebbar angeordnet ist, mittels einer Feder (21) in ein Anschlag¬ position auf dem elektrisch betriebenen Linearschlitten (13) gedrückt wird und gegen die Federkraft aus der Anschlagposi¬ tion weg verschoben werden kann.
7. Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Drehmomentsensor (1) ggf. zusammen mit dem Abstandssensor (7) und/oder ggf. zusammen mit dem Temperatursensor (9) ein Abstandshalter (23) zugeord- net ist, der in eine Richtung über den Drehmomentsensor (1) und ggf. über den Abstandssensor und/oder den Temperatursensor (9) vorsteht, in der das Objekt (5), dessen Drehmoment bestimmt werden soll, in Bezug auf den Drehmomentsensor (1) anzuordnen ist.
8. Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (25) mit einer Öffnung (43) für den Drehmomentsensor (1) ggf. einer Öffnung (45) für den Abstandssensor (7) und/oder ggf. einer Öffnung für den Temperatursensor (9) und eine Messposition, die der elektrisch betriebene Linearschlitten (13) aufweist, in welcher der Drehmomentsensor (1) ggf. zusammen mit dem Abstandssensor (7) und/oder ggf. zusammen mit dem Temperatursensor (9) im Bereich der jeweiligen Öffnung (43, 45,47) angeordnet ist.
9. Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (23) über das Gehäuse vorsteht, wenn sich der elektrisch betriebene Linearschlitten (13) in der Messposition befindet.
10. Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem
Abstandssensor (7) zum Empfang seines Abstandssignals verbundene aktive Schutzeinrichtung (3) vorhanden ist, die den Abstand zu einem Objekt (5), dessen Drehmoment bestimmt werden soll, überwacht und den elektrisch betriebenen Linearschlit- ten (13) von dem Objekt (5) weg bewegt, wenn ein vorgegebener Mindestabstand erreicht oder unterschritten wird.
11. Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
10 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswer- teeinheit (13), die mit dem Drehmomentsensor (1) und dem Abstandssensor (7) zum Empfang der jeweiligen Signale verbunden ist und das Drehmoment des Objekts (5), dessen Drehmoment be¬ stimmt werden soll, unter Berücksichtigung des Abstands von dem Objekt (5) ermittelt.
12. Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
11 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswer¬ teeinheit (3), die mit dem Drehmomentsensor (1) und dem Temperatursensor (9) zum Empfang der jeweiligen Signale verbun- den ist und das Drehmoment des Objekts (5), dessen Drehmoment bestimmt werden soll, unter Berücksichtigung der Temperatur des Objekts (5) ermittelt.
13. Drehmomentsensoranordnung nach einem de vorangehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor
(1) ein magnetoelastischer Drehmomentsensor ist.
14. Welle (5) mit wenigstens einem Wellenabschnitt, welcher wenigstens eine Drehmomentsensoranordnung (25) aufweist, da- durch gekennzeichnet, dass die Drehmomentsensoranordnung (25) eine Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.
15. Welle (5) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wellenabschnitt wenigstens zwei Drehmomentsensoranordnungen (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 vorhanden sind.
PCT/EP2012/056448 2011-05-06 2012-04-10 Drehmomentsensoranordnung und welle mit einer drehmomentsensoranordnung WO2012152515A1 (de)

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