DE1423599B2 - Anordnung zur beruehrungslosen elektrischen messung der axialen verschiebung eines rotors gegenueber einem stator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur berührungslosen elektrischen Messung der axialen Verschiebung eines Rotors gegenüber einem Stator mit durch Rotordrehung aneinander vorbeibewegten Übertragungsgliedern für einen berührungslosen steuerbaren Energiefluß, von denen eines punktförmig ausgebildet ist und das andere aus in Riehtung der Rotorachse geneigt zueinander verlaufenden länglichen Teilgliedern besteht und der gesteuerte Energiefluß zur Meßwertanzeige verwendet wird.

Bei hochleistungsfähigen Strahltriebwerken, z. B. für Flugzeuge, bestehen der Stator und der Rotor häufig aus unterschiedlichen Metallegierungen. Der Stator wird zumeist aus einer Leichtmetallegierung hergestellt, während der Rotor aus Gründen der Belastbarkeit aus schwereren Metallegierungen besteht. Die Dehnungsunterschiede führen zu beträchtlichen Relativverschiebungen zwischen Stator und Rotor, was eine Vergrößerung des Spiels erfordert. Es ist daher notwendig, die bei den einzelnen Betriebszuständen auftretenden jeweiligen Spiele zu kennen, um die optimalen Abmessungen zu ermitteln, damit die Verluste so gering wie möglich gehalten werden können. Eine Messung des jeweiligen axialen Spiels eines Rotors, z. B. für eine Gasturbine, ist wegen der hohen Temperaturen und den auftretenden Schwingungen äußerst schwierig.

Es ist ein Verfahren zur Breitenmessung von Gegenständen, vorzugsweise von bandförmigem Gut, das nicht kontinuierlich an der Meßstelle vorbeigehen kann, bekannt, bei dem die Breitenmessung zur unmittelbaren oder mittelbaren Übertragung des Endergebnisses auf optischem oder elektrischem Wege mit Hilfe von Fernsehgeräten durchgeführt wird. Die optischen Achsen der Fernsehgeräte sind dabei zueinander schräg gestellt (deutsche Patentschrift 940 066). Es ist ferner eine Anordnung zur Messung des radialen Spiels zwischen dem Gehäuse und den Laufschaufeln von Strömungsmaschinen bekannt, bei der eine aus der mechanischen Frequenz der Laufschaufeln mit Hilfe im Gehäuse der Maschine eingebauter Elektroden abgeleitete elektrische Frequenz als Hilfsfrequenz für die Messung des Spiels dient (deutsche Patentschrift 910 233). Weiter ist es bekannt, das Radial- oder Axialspiel der Laufräder von Turbinen oder ähnlichen Maschinen mit Hilfe elektromagnetischer Mittel zu messen, die teils am Laufrad, teils am gegenüberliegenden Gehäuse angeordnet sind und sich bei jedem Umlauf überstreichen. Dazu wird am Laufrad ein Dauermagnet und am Gehäuse eine Induktionsvorrichtung angeordnet, wobei dann z. B. mit Hilfe eines integrierenden Verstärkers aus den Induktionsspannungsimpulsen die Spannungszeitfläche ermittelt wird, die als Maß für das zu bestimmende Laufradspiel dient (deutsche Patentschrift 949 775). Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zur Messung des Spiels an umlaufenden Maschinen sind" kapazitive Geber vorgesehen, wobei am feststehenden Teil mindestens ein Kondensatorbelag und am umlaufenden Teil eine Vielzahl von Gegenkondensatorbelägen angeordnet sind, die an dem oder den feststehenden Kondensatorbelägen vorbeilaufen und so eine periodische Änderung der Meßkapazität bereits bei konstantem Spiel ergeben. Bei dieser Vorrichtung wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Kapazitätsänderungen bei einem Wechsel von Zahn und Lücke des umlaufenden Schaufelrades eine bestimmte Zahnfrequenz zur Folge hat, die in der Amplitude moduliert wird, wenn eine Abstandsänderung zwischen dem feststehenden und dem umlaufenden Teil auftritt. Eine derartige Vorrichtung läßt sich jedoch vorteilhaft lediglich zur Messung des radialen Spiels verwenden (deutsche Auslegeschrift 1 091 346).

Schließlich ist eine Anordnung zur berührungslosen elektrischen Messung der axialen Verschiebung eines Rotors gegenüber einem Stator vorgeschlagen worden, bei der durch Rotordrehung Übertragungsglieder aneinander vorbeibewegt werden, von denen eines punktförmig ausgebildet ist und das andere aus in Richtung der Rotorachse geneigt zueinander verlaufenden länglichen Teilgliedern besteht (deutsche Patentschrift 1 197 236). Die beim Vorübergehen des punktförmigen Teilgliedes an den beiden länglichen Teilgliedern entstehenden Änderungen des Energieflusses werden dazu benutzt, um eine Zeitmeßeinrichtung zu steuern, weiche die Zeit zwischen den beiden Änderungen des Energieflusses anzeigt. Es werden z. B. auf einem Oszillographen zwei Impulse angezeigt, deren Abstand ein Maß für die axiale Lage des Rotors ist. Haben nun die beiden länglichen Teilglieder eine irgendwie zueinander geneigte Lage, dann stellt zwar die Laufzeit zwischen den Impulsen ein Maß für die axiale Verschiebung dar, dieses Maß ist jedoch nicht absolut, sondern muß bei einer Änderung der Rotorgeschwindigkeit auf irgendeinen Eichpunkt bezogen werden. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß der Zeitmaßstab der Anzeige von der Drehzahl des Rotors gesteuert wird. Dazu wird der Elektronenstrahl eines Meßoszillographens in seiner Kippfrequenz von der Rotordrehzahl gesteuert, die zusätzlich gemessen werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur

berührungslosen elektrischen Messung der axialen Verschiebung eines Rotors gegenüber einem Stator zu schaffen, bei der durch eine bestimmte Ausbildung der Übertragungsglieder die Messung der axialen Verschiebung absolut und unabhängig von der Drehzahländerung des Rotors ist.

Bei einer Anordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß drei Teilglieder vorgesehen sind, von denen zwei parallel zur Rotorachse verlaufen, während das dritte zwischen den ersten beiden und schräg geneigt zur Rotorachse angeordnet ist.

Zwei der drei Teilglieder des einen Übertragungsgliedes verlaufen also parallel zur Rotorachse, so daß eine axiale Verschiebung des Rotors keine zeitliche Verschiebung der Auslöseimpulse herbeiführt, die beim Vorbeigehen des anderen Ubertragungsgliedes entstehen. Lediglich der Zeitpunkt des zwischen den beiden Auslöseimpulsen liegenden dritten Impulses, der durch das Vorbeigehen des anderen Übertragungsgliedes am geneigten Teilglied hervorgerufen wird, verschiebt sich, wenn die axiale Lage des Rotors sich ändert, vorausgesetzt natürlich, daß die Rotorgeschwindigkeit gleichbleibt. Werden nun die Auslöseimpulse des ersten Teilgliedes als Triggerimpulse für einen Oszillographen verwendet, ist der Impulsabstand ein absolutes Maß für die axiale Verschiebung unabhängig von Änderungen der Rotorgeschwindigkeit. Dadurch wird eine genaue und absolute Messung einer axialen Verschiebung des Rotors erreicht. Darüber hinaus kann durch eine geeignete Wahl des Abstands zwischen zwei Impulsen, die von den beiden parallelen Teilgliedern kommen und der im übrigen ein Maß für die Rotorgeschwindigkeit ist, ein geeigneter Maßstab zur Ablesung einer axialen Verschiebung des Rotors gewonnen werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Turbine mit teilweise aufgebrochenem Gehäuse zusammen mit der erfindungsgemäßen Anordnung;

F i g. 2 zeigt die Darstellung von Meßimpulsen auf dem Schirm eines Oszillographen.

Bei der dargestellten Ausführungsform hat die feste Elektrode 1 die Form eines Z und weist zwei zu der Achse der Turbine parallele Rippen und eine zwischen den beiden ersten liegende, um 45° geneigte Rippe auf. Diese vom Turbinenstator 2 angebrachte Elektrode ist von Masse isoliert und mit einer Klemme 5 außerhalb des Stators 2 verbunden. Die umlaufende Elektrode 3 wird durch einen kleinen Stift gebildet, welcher an dem Umfang einer Schaufel 4 des nicht näher bezeichneten Rotors angebracht ist.

Die umlaufende Elektrode 3 ist über die Lager der Welle des Rotors mit Masse verbunden, während die feste Elektrode 1 durch Anschluß der Klemme 5 an eine Stromquelle6 über einen Widerstand? unter Spannung gesetzt wird. Hierdurch entsteht ein elektrischer Stromkreis mit einem zwischen der Elektrode 3 und der Wand des Stators 2 begrenzten Luftspalt. Dieser auf dem größten Teil einer Umdrehung des Rotors konstante Luftspalt wird bei jeder Umdrehung dreimal plötzlich unterbrochen, nämlich im Augenblick des Vorbeigangs des Stiftes 3 vor den drei Rippen der Z-förmigen Elektrode 1.

Diese Luftspaltänderungen bewirken Kapazitätsänderungen, welche Impulse in dem elektrischen Stromkreis zur Folge haben, und zwar drei Impulse bei jeder vollständigen Umdrehung des Rotors.

Diese Impulse, welche die bei 8 dargestellte abgerundete Form haben, weden an einer Stelle 9 des Stromkreises abgenommen, an einen verstärkten Impuls 11 liefernden Vorverstärker 10 angelegt und in einer Umformstufe 12 mit konstanter Amplitude in ein Rechteck-Signal 13 umgeformt. Dieses wird

ίο seinerseits in einem kurzen linearen Impuls als Linie 27 umgewandelt, welche auf dem Schirm 15 eines Oszillographen 16 sichtbar gemacht wird. Bei geeigneter Einstellung desselben erscheinen auf dem Schirm drei als Linien 17 dargestellte Impulse, wie in F i g. 2 dargestellt ist, wobei die Stellung einer jeden Linie 17 einem bestimmten Zeitpunkt entspricht.

Die obige Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Bei einer relativen Axialverschiebung des Rotors und des Stators 2 der Turbine werden der erste und der dritte Impuls, welche bei jeder Umdrehung des Rotors beim Vorbeigang der Elektrode 3 vor den. beiden zu der "Achse parallelen Rippen der Elektrode 1 erzeugt werden, nicht beeinflußt, so daß die erste und die dritte Linie 17 auf dem Schirm 15 des Oszillographen 16 unverändert bleiben, vorausgesetzt natürlich, daß die Drehzahl konstant bleibt (diese beiden Linien 17 nähern sich einander bei einer Beschleunigung, während sie sich bei einer Verzögerung voneinander entfernen). Der zweite beim Vorbeigang der Elektrode 3 vor der diagonalen Rippe der festen Elektrode 1 erzeugte Impuls ändert sich dagegen entsprechend der Größe der Axialverschiebung, so daß sich die zweite auf dem Schirm 15 erscheinende Linie 17, je nachdem, der einen oder der anderen außenliegenden Linie 17 nähert. Die Drehzahl kann dann jederzeit aus dem Abstand zwischen der ersten und der dritten Linie 17 abgeleitet werden, während die Axialverschiebung des Rotors durch den Abstand der ersten von der zweiten Linie gegeben ist. Bei konstanter Drehzahl gestattet die Einstellung der Zeitablenkung, eine geeignete Stellung für den dritten Impuls zu wählen, wobei der Abstand zwischen diesem und dem ersten zeitlich konstant ist. Der so gewählte Maßstab ermöglicht die Ermittlung der Axialverschiebung des Rotors durch einfache Messung der Verschiebung des zweiten Impulses.

Anders ausgedrückt, die außenliegenden Impulse bilden eine dauernde Eichung, und der mittlere Impuls gibt die axiale Stellung des Turbinenrades an.

Es ist zu bemerken, daß die Messung unabhängig von Veränderungen des Radialspiels ist, da die Amplitude der erzeugten Spannungsänderung nicht berücksichtigt wird.

Es ist ferner zu bemerken, daß die Wahl eines Winkels von 45° für die Schräglage der diagonalen Rippe der Elektrode 1 eine direkte Ermittlung der Axialverschiebung gestattet, ohne daß irgendein von dieser Schräglage herrührender Proportionalitätsfaktor eingeht..

Die obige Anordnung bietet den Vorteil, daß sie nur die Verlegung einer einzigen Leitung am Motor erfordert, und zwar an einem nichtumlaufenden Teil. Die in der Nähe angeordnete Vorverstärkerstufe hat nur einen kleinen Platzbedarf. Die anderen Apparate können in einiger Entfernung angeordnet werden, z. B. im Meßsaal.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur berührungslosen elektrischen Messung der axialen Verschiebung eines Rotors gegenüber einem Stator mit durch Rotordrehung aneinander vorbeibewegten Übertragungsgliedern für einen berührungslosen steuerbaren Energiefluß, von denen eines punktförmig ausgebildet ist und das andere aus in Richtung der Rotorachse geneigt zueinander verlaufenden länglichen Teilgliedern besteht und der gesteuerte Energiefluß zur Meßwertanzeige verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß drei Teilglieder (1) vorgesehen sind, von denen zwei parallel zur Rotorachse verlaufen, während das dritte zwischen den ersten beiden und schräg geneigt zur Rotorachse angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Teilglieder (1) am Stator (2) angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Teilglied gegenüber der Rotorachse um 45° geneigt ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Übertragungsglieder als Elektroden zur kapazitiven Messung die am Rotor (4) angeordnete Elektrode (2) über die Lager des Rotors mit Masse verbunden ist, während die am Stator (2) angeordnete Elektrode (1) an Spannung liegt.