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DE102009009714A1 - Device for determining torque at turbine shaft in e.g. aircraft engine, has sensors producing alternating signals, which enable measurement of phase positions and/or processing time, where signal form of signals enable distance measurement - Google Patents

Device for determining torque at turbine shaft in e.g. aircraft engine, has sensors producing alternating signals, which enable measurement of phase positions and/or processing time, where signal form of signals enable distance measurement Download PDF

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DE102009009714A1
DE102009009714A1 DE200910009714 DE102009009714A DE102009009714A1 DE 102009009714 A1 DE102009009714 A1 DE 102009009714A1 DE 200910009714 DE200910009714 DE 200910009714 DE 102009009714 A DE102009009714 A DE 102009009714A DE 102009009714 A1 DE102009009714 A1 DE 102009009714A1
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DE
Germany
Prior art keywords
sensors
measurement
turbine
shaft
turbine shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200910009714
Other languages
German (de)
Inventor
Martin Dr. Stadlbauer
Michael Dr. Zielinski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Priority to DE200910009714 priority Critical patent/DE102009009714A1/en
Publication of DE102009009714A1 publication Critical patent/DE102009009714A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/04—Arrangement of sensing elements responsive to load
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/06—Arrangement of sensing elements responsive to speed
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/109—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving measuring phase difference of two signals or pulse trains

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

The device has an arrangement for contact-less measurement of integral rotation of a turbine shaft (10), and a unit for contact-less measurement of resetting constant of the turbine shaft. The arrangement comprises sensors (50, 51), which produce alternating signals. The alternating signals enable measurement of phase positions and/or processing time. Signal form of the alternating signals enable distance measurement and/or space measurement. The sensors are mounted at a fixed housing in two measuring levels, which are axially displaced together. An independent claim is also included for a method for determining torque at a turbine shaft in a turbine engine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Drehmomentmessung an einer Turbinenwelle.The The present invention relates to an apparatus and a method for torque measurement on a turbine shaft.

Turbinen werden beispielsweise in Flugzeugtriebwerken und als Industriegasturbinen eingesetzt. Beim Einsatz von Turbinen ist deren Wirkungsgrad eine wesentliche Kenngrösse und wird daher während der Entwicklung von Geräten, in denen die Turbine eingesetzt werden soll, mit hohem Aufwand unter Betriebsbedingungen ermittelt.turbines For example, in aircraft engines and as industrial gas turbines used. When using turbines, their efficiency is a significant parameter and is therefore during the development of equipment in which the turbine is used is to be determined with great effort under operating conditions.

Der Wirkungsgrad z. B. der Niederdruckturbine eines Turbinentriebwerks wird daher während der Entwicklungsphase des Triebwerks ermittelt. Dafür sind im Stand der Technik mehrere Verfahren bekannt.Of the Efficiency z. B. the low-pressure turbine of a turbine engine is therefore during the development phase of the engine determined. There are several methods in the art known.

Ein erstes Verfahren basiert auf der Messung von Temperatur- und Druckabfall zwischen Eingangs- und Ausgangsebene der Niederdruckturbine (NDT). Zusammen mit weiteren Eingangsgrößen kann daraus der Wirkungsgrad bestimmt werden.One first method is based on the measurement of temperature and pressure drop between inlet and outlet level of the low pressure turbine (NDT). Together with other input variables can be the efficiency can be determined.

Im zweiten Verfahren wird der Druckabfall an der NDT sowie der Temperaturanstieg am Niederdruckverdichter (NDV) ermittelt. Damit wird zusammen mit dem Massenstrom durch das Kerntriebwerk eine Wirkungsgradbestimmung möglich, ohne Temperaturen an der NDT messen zu müssen.in the second method is the pressure drop at the NDT as well as the temperature rise determined on the low-pressure compressor (NDV). This will work together with the mass flow through the core engine an efficiency determination possible without having to measure temperatures at the NDT.

Jedoch haben diese Verfahren den Nachteil, dass die zu messenden Temperaturdifferenzen zwischen den Messebenen mit großen relativen Unsicherheiten versehen sind. In der NDT liegen große Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung vor und der Temperaturanstieg am NDV kann re lativ gering sein, insbesondere wenn der NDV lediglich aus einem einstufigen Fan besteht.however These methods have the disadvantage that the temperature differences to be measured between the trade fair levels with large relative uncertainties are provided. There are large inhomogeneities in the NDT in the temperature distribution before and the temperature rise at the NDV can be re relatively low, especially if the NDV only off a single stage fan.

Durch Messung des an der Niederdruckwelle anliegenden Drehmoments und damit der von der Welle übertragenen Leistung kann die Messung des Temperaturanstiegs am Fan ersetzt werden, so dass die Genauigkeit der Wirkungsgradbestimmung verbessert wird.By Measurement of the voltage applied to the low pressure shaft torque and so that the power transmitted by the shaft can be the Measurement of the temperature rise on the fan to be replaced, so that the Accuracy of efficiency determination is improved.

In der Druckschrift US 2006/0032319 A1 wird beispielsweise ein Verfahren zur Bestimmung des an der Niederdruckwelle anliegenden Drehmoments beschrieben. Es basiert darauf, dass die integrale Verdrehung von vorn durch die hohle Niederdruckwelle hindurch optisch erfasst wird. Dabei werden z. B. Gitter oder andere geeignete Strukturen im Bereich des NDV bzw. der NDT innerhalb der Welle angebracht und von außen durch die Welle hindurch mit einer Stroboskopkamera gemeinsam aufgenommen. Die integrale Torsion aufgrund des anliegenden Drehmoments ergibt sich dann durch Bildanalyse aus der Verdrehung der beiden Strukturen zueinander.In the publication US 2006/0032319 A1 For example, a method of determining the torque applied to the low pressure shaft will be described. It is based on optically detecting the integral twist from the front through the hollow low-pressure shaft. This z. As grid or other suitable structures in the region of the NDV or the NDT mounted within the shaft and taken together from the outside through the shaft with a stroboscopic camera. The integral torsion due to the applied torque is then obtained by image analysis from the rotation of the two structures to each other.

Zusammen mit der effektiven Rückstellkonstante der Welle kann damit das anliegende Drehmoment berechnet werden. Die Rückstellkonstante wiederum ergibt sich aus der Frequenz der Wellentorsionsschwingung, die von der gesuchten Rückstellkonstante und den Trägheitsmomenten des NDV, NDT und der Welle abhängt. Die Bestimmung der Trägheitsmomente erfolgt in dem Patent auf Basis der 3D-Modelle dieser Komponenten und einer theoretischen Temperaturverteilung.Together with the effective reset constant of the shaft can thus the applied torque can be calculated. The reset constant again results from the frequency of the wave torsional vibration, that of the sought reset constant and the moments of inertia of the NDV, NDT and the shaft depends. The determination of Inertia moments in the patent based on the 3D models of these components and a theoretical temperature distribution.

Jedoch ist die Welle eines Triebwerks nicht immer durchgehend hohl. So werden z. B. verschiebbare Wuchtgewichte innerhalb der Welle platziert, um Biegeschwingungen zu unterdrücken. Für Triebwerke mit Getriebefan ist das Verfahren ebenfalls nicht anwendbar, da der Zugang zur Welle durch das Getriebe versperrt ist.however the shaft of an engine is not always hollow. So be z. B. displaceable balancing weights placed within the shaft, to suppress bending vibrations. For engines mit Getriebefan the method is also not applicable because Access to the shaft is blocked by the transmission.

Außerdem ist die Hochdruckwelle von außen optisch nicht einsehbar, so dass o. a. Verfahren nicht eingesetzt werden kann, um das Drehmoment an der Hochdruckwelle zu messen.Furthermore is the high-pressure shaft optically not visible from the outside, so that o. a. Method can not be used to control the torque to measure at the high pressure wave.

Weiterhin sind die Trägheitsmomente von Verdichter, Turbine und Welle aus den 3D-Modellen nicht exakt genug bestimmbar, da sie Fertigungstoleranzen unterliegen.Farther are the moments of inertia of compressor, turbine and shaft from the 3D models can not be determined exactly enough, since they have manufacturing tolerances subject.

Ebenso können Dämpfungseffekte bei der Wellentorsionsschwingung durch die mechanische Verformung der Welle und durch aerodynamische Reibungsverluste nicht vernachlässigt werden.As well can damping effects in the wave torsional vibration by the mechanical deformation of the shaft and by aerodynamic Frictional losses are not neglected.

Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die eine verbesserte Drehmomentmessung an einer Turbinenwelle ermöglichen.As a result, It is an object of the present invention to provide a device and to provide a method that provides improved torque measurement allow on a turbine shaft.

Diese Aufgabe ist durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Weitere Merkmale und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen gezeigt.These Task is a device according to claim 1 and a method according to claim 10 solved. Other features and developments are in the dependent Claims shown.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Drehmoments an einer Turbinenwelle in einem Turbinentriebwerk mit einem Verdichter, einer Turbine, einer Turbinenwelle und einem Triebwerkgehäuse bereitgestellt, wobei die Vorrichtung zumindest eine Anordnung zur berührungslosen Messung der integralen Verdrehung der Turbinenwelle und eine Einheit zur berührungslosen Messung der Rückstellkonstante der Turbinenwelle aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anordnung eine Vielzahl von Sensoren aufweist, die Wechselsignale erzeugen, welche eine Messung von Phasenlagen und/oder Durchlaufzeiten ermöglichen, und deren Signalform gleichzeitig eine Abstands- und/oder Spaltmessung ermöglicht.According to one Aspect of the present invention is an apparatus for determining a torque on a turbine shaft in a turbine engine with a compressor, a turbine, a turbine shaft and a Engine housing provided, wherein the device at least one arrangement for non-contact measurement of integral rotation of the turbine shaft and a unit for non-contact measurement having the reset constant of the turbine shaft, and characterized in that the arrangement comprises a plurality of Having sensors that generate alternating signals, which is a measurement of phase angles and / or cycle times, and their waveform simultaneously a distance and / or gap measurement allows.

Vorzugsweise sind die Sensoren radial gegen zwei axial zueinander versetzte zahnkranzähnliche Strukturen im Bereich des Verdichters und der Turbine, die fest mit der Turbinenwelle verbunden sind, angeordnet.Preferably The sensors are radially against two axially offset from each other gear like structures in the area of the compressor and the turbine fixed to the turbine shaft are connected, arranged.

Weiterhin sind vorzugsweise die Sensoren im feststehenden Gehäuse in zwei axial zueinander versetzten Messebenen montiert, wobei jede Messebene mindestens drei Sensoren aufweist.Farther are preferably the sensors in the fixed housing mounted in two axially staggered measurement planes, each one Measuring level has at least three sensors.

Die Sensoren können am Umfang auf Höhe des Verdichters und der Turbine gleichmäßig verteilt angeordnet sein.The Sensors can be on the circumference at the height of the compressor and the turbine is evenly distributed be.

Vorzugsweise sind die Sensoren an stabilen Stellen des Triebwerkgehäuses angeordnet, an denen keine Verdrehung zwischen den beiden Sensorebenen durch thermische oder ähnliche Effekte zu erwarten ist.Preferably the sensors are in stable places of the engine housing arranged at which no rotation between the two sensor levels due to thermal or similar effects.

Die Sensoren erzeugen Wechselsignale, deren Phasenlage linear mit der integralen Torsion der Welle unter Last verknüpft ist.The Sensors generate alternating signals whose phase position is linear with the Integral torsion of the shaft is linked under load.

Weiterhin weist die Messeinheit zur Messung der Rückstellkonstanten eine Messeinrichtung zum Messen der Torsionsfrequenz der Torsionsschwingung der Welle auf.Farther indicates the measuring unit for measuring the reset constants a measuring device for measuring the torsional frequency of the torsional vibration the wave up.

Die Messeinheit zur Messung der Rückstellkonstanten kann eine Einheit zur rechnerischen Bestimmung des Trägheitsmomentes der Welle, des Verdichters und der Turbine umfassen.The Measuring unit for measuring the reset constants can be a Unit for the mathematical determination of the moment of inertia of the shaft, the compressor and the turbine.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung eines an einer Turbinenwelle anliegenden Drehmoments bereitgestellt, wobei zur Bestimmung des Drehmomentes die integrale Verdrehung der Turbinenwelle berührungslos gemessen wird und die Rückstellkonstante der Turbinenwelle gemessen wird, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Messungen mittels einer Vielzahl von Sensoren erfolgen, die Wechselsignale erzeugen, welche eine Messung von Phasenlagen und/oder Durchlaufzeiten ermöglichen, und deren Signalform gleichzeitig eine Abstands- und/oder Spaltmessung ermöglicht. According to one Another aspect of the present invention is a method for Determining a voltage applied to a turbine shaft torque provided for determining the torque, the integral Rotation of the turbine shaft is measured without contact and the reset constant of the turbine shaft is measured, and characterized in that the measurements by means of a Variety of sensors take place, which generate alternating signals, which enable a measurement of phase angles and / or cycle times, and their waveform simultaneously a distance and / or gap measurement allows.

Das Verfahren weist vorzugsweise die Schritte des Bestimmens des Gesamtträgheitsmoments des Rotors, des Bestimmens eines Korrekturwerts auf Basis theoretischer Modelle, und die Berechnung der Trägheitsmomente der Turbinenwelle, des Verdichters und der Turbine aus den Messwerten der Sensoren und dem bestimmten Gesamtträgheitsmoment und dem bestimmten Korrekturwert auf.The Method preferably comprises the steps of determining the total moment of inertia of the rotor, determining a correction value based on theoretical Models, and the calculation of the moment of inertia of the turbine shaft, of the compressor and the turbine from the measured values of the sensors and the determined total moment of inertia and the particular one Correction value on.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der anhängenden Zeichnung beschrieben.The The present invention will be described below with reference to an exemplary embodiment and the accompanying drawings.

In 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Turbinenwelle gezeigt. Die veranschaulichte Turbinenwelle 10 weist einen Verdichter 20 und eine Turbine 30 auf. Der Verdichter 20 ist hierbei schematisch durch einen Fan und einen mehrstufigen Niederdruckverdichter angedeutet. Analog kann das Verfahren auch an der Hochdruckwelle eingesetzt werden.In 1 a schematic sectional view of a turbine shaft is shown. The illustrated turbine shaft 10 has a compressor 20 and a turbine 30 on. The compressor 20 is indicated schematically by a fan and a multi-stage low-pressure compressor. Analogously, the method can also be used on the high pressure shaft.

Die integrale Verdrehung der Welle 10 wird mittels Sensoren 50, 51 gemessen, die am Gehäuse befestigt sind. Die Sensoren 50, 51 messen radial gegen zwei axial zueinander versetzte zahnkranzähnliche Strukturen 40, 41 im Bereich des Verdichters 20 bzw. der Turbine 30, die fest mit der Welle 10 verbunden sind. Dadurch werden in den Sensoren 50, 51 Wechselsignale erzeugt, deren relative Phasenlage linear mit der integralen Verdrehung der Welle 10 unter Last verknüpft ist.The integral rotation of the shaft 10 is by means of sensors 50 . 51 measured, which are attached to the housing. The sensors 50 . 51 Measure radially against two axially staggered teeth-like structures 40 . 41 in the area of the compressor 20 or the turbine 30 that stuck with the shaft 10 are connected. This will be in the sensors 50 . 51 Alternating signals generated, the relative phase position linear with the integral rotation of the shaft 10 is linked under load.

Die Wellentorsionsschwingung wird ebenfalls mittels der Sensoren 50, 51 erfasst. Die Durchlaufzeiten der Zähne 40, 41 an den Sensoren schwanken bei Auftreten von Schwingungen, wobei die Schwankungen von der Schwingfrequenz sowie der Schwingamplitude abhängen.The shaft torsional vibration is also detected by the sensors 50 . 51 detected. The throughput times of the teeth 40 . 41 on the sensors fluctuate when vibrations occur, with the variations depending on the vibration frequency as well as the vibration amplitude.

Da die Trägheitsmomente aus den 3D-Modellen zu ungenau sind, werden sie gemessen.There the moments of inertia from the 3D models are too inaccurate, they are measured.

Um den Einfluss der Dämpfungen ermitteln zu können, werden in den Frequenzspektren de Sensorsignale die Frequenzspitzen der Wellentorsionsschwingung am Verdichter 20 und der Turbine 30 gemeinsam mittels der bekannten Gleichung eines Zweimassen-Torsionsschwingers gefittet, woraus sich dann zusammen mit dem unabhängig davon gemessenen Gesamtträgheitsmoment des Rotors die Einzelträgheitsmomente und die effektive Rückstellkonstante der Welle 10 ergeben.In order to be able to determine the influence of the attenuations, the frequency peaks of the shaft torsion oscillation at the compressor are in the frequency spectra of the sensor signals 20 and the turbine 30 together fitted by means of the known equation of a two-mass Torsionsschwingers, from which then together with the independently measured total moment of inertia of the rotor, the individual moments of inertia and the effective return constant of the shaft 10 result.

Um das an der Welle 10 anliegende Drehmoment berechnen zu können, müssen zwei Größen bestimmt werden, zum Einen die integrale statische Torsion der Welle 10 zwischen Verdichter 20 und Turbine 30 und zweitens die effektive Rückstellkonstante der Welle 10 bei laufendem Triebwerk.That's on the shaft 10 To be able to calculate applied torque, two variables must be determined, one is the integral static torsion of the shaft 10 between compressors 20 and turbine 30 and second, the effective reset constant of the shaft 10 while the engine is running.

Die Messung der statischen Torsion erfolgt mit Hilfe von mehreren Sensoren 50, 51, die im feststehenden Gehäuse in zwei axial zueinander versetzten Messebenen montiert sind. Sie messen radial gegen zahnkranzähnliche Strukturen im Bereich des Verdichters 20 bzw. der Turbine 30 auf der Welle 10, um Wechselsignale zu erzeugen, deren Phasenlage linear mit der integralen Torsion der Welle 10 unter Last verknüpft. ist.The static torsion is measured by means of several sensors 50 . 51 , which are mounted in the fixed housing in two axially staggered measurement planes. They measure radially against gear-tooth-like structures in the area of the compressor 20 or the turbine 30 on the wave 10 To generate alternating signals whose phase position is linear with the integral torsion of the wave 10 linked under load. is.

Die radiale Ausrichtung der Sensoren 50, 51 ist wichtig, da in diesem Fall mittels Spaltmessungen der Einfluss der Radialposition der Welle 10 relativ zum Triebwerksgehäuse auf die Messung der statischen Torsion herausgerechnet werden kann. Hierzu wird ein Sensortyp verwendet, dessen Signalform bei jedem Durchlauf eines Zahns gleichzeitig auch die Messung des radialen Abstands zwischen Sensor und Zahn ermöglicht. Hierzu sind z. B. kapazitive aber auch induktive Sensoren geeignet.The radial orientation of the sensors 50 . 51 is important, since in this case by means of gap measurements the influence of the radial position of the shaft 10 relative to the engine casing on the measurement of static torsion can be calculated. For this purpose, a sensor type is used, the waveform of which also allows the measurement of the radial distance between the sensor and the tooth during each passage of a tooth. For this purpose, z. B. capacitive but also inductive sensors suitable.

Pro Messebene sind mindestens drei Sensoren 50, 51 erforderlich. Sie müssen an Stellen des Triebwerks befestigt werden, an denen keine Verdrehung der Messebenen durch thermische oder andere Effekte gegeneinander zu erwarten ist.There are at least three sensors per measuring level 50 . 51 required. They must be attached to places of the engine, where no rotation of the measuring levels by thermal or other effects against each other is to be expected.

Um die effektive Rückstellkonstante zu messen, wird die Wellentorsionsschwingung ausgewertet, die ebenfalls mit den Sensoren 50, 51 erfasst wird.In order to measure the effective reset constant, the shaft torsional vibration is evaluated, which also with the sensors 50 . 51 is detected.

Als mathematische Beschreibung dient der gedämpfte Zweimassen-Torsionsschwinger mit den Auslenkungen α1(t) des Verdichters 20 und α2(t) der Turbine 30, der effektiven Rückstellkonstante D, der mechanischen Wellendämpfung k, den Dämpfungen k1 und k2 im Verdichter 20 und in der Turbine 30 sowie den Trägheitsmomenten J1 und J2 der schwingenden Massen mit einer zeitlich veränderlichen Anregung M(t), mit der Schwingauslenkungen von Verdichter 20 und Turbine 30 sowohl für M(t) = 0 als auch für M(t) ≠ 0 dargestellt werden können.

Figure 00070001
The mathematical description is the damped two-mass torsional oscillator with the deflections α 1 (t) of the compressor 20 and α 2 (t) of the turbine 30 , the effective restoring constant D, the mechanical shaft damping k, the damping k 1 and k 2 in the compressor 20 and in the turbine 30 and the moments of inertia J 1 and J 2 of the oscillating masses with a time-varying excitation M (t), with the oscillations of the compressor 20 and turbine 30 can be represented both for M (t) = 0 and for M (t) ≠ 0.
Figure 00070001

Gleichung (1) liefert Ergebnisse nur bis auf einen konstanten aber beliebigen Faktor. Daher wird eine weitere unabhängige Messgröße benötigt. Hierfür eignet sich das Gesamtträgheitsmoment J = J1 + J2 der schwingenden Massen.Equation (1) gives results only up to a constant but arbitrary factor. Therefore, a further independent measure is needed. For this purpose, the total moment of inertia J = J 1 + J 2 of the oscillating masses is suitable.

Sofern das Verfahren zur Drehmomentmessung an der Hochdruckseite eingesetzt werden soll, muss das Gesamtträgheitsmoment J des Hochdruckrotors im ausgebauten Zustand mit Hilfe einer Wuchtmaschine gemessen werden, da die Hochdruckwelle im zusammengebauten Triebwerk von außen nicht zugänglich ist. Soll das Drehmoment an der Niederdruckwelle bestimmt werden, so kann ein Verfahren eingesetzt werden, bei dem das Triebwerk nicht zerlegt werden muss. Dafür wird der im Triebwerk eingebaute Niederdruckrotor von außen am Spinner mit einem Elektromotor periodisch beschleunigt und wieder abgebremst. Zwischen Motor und Spinner ist eine Drehmomentmesswel le montiert, um während der Beschleunigung und des Abbremsens das Drehmoment M und die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit ω über der Zeit aufzunehmen. Aus dieser Messung erhält man nach der Gleichung J(iω .(t) + Kω(t) = M(t) (2)zunächst das Gesamtträgheitsmoment JG = J1 + J2 + JΔ des gesamten Rotors bei Rotation. JΔ gibt hierbei den Unterschied im wirksamen Trägheitsmoment zwischen der Rotation des Rotors und der Torsionsschwingung zwischen Verdichter 20 und Turbine 30 an.If the method for torque measurement on the high pressure side is to be used, the total moment of inertia J of the high pressure rotor in the disassembled state must be measured with the aid of a balancing machine, since the high pressure shaft in the assembled engine is not accessible from the outside. If the torque at the low pressure wave is to be determined, then a method can be used in which the engine does not have to be disassembled. For this purpose, the low-pressure rotor installed in the engine is periodically accelerated from the outside of the spinner with an electric motor and braked again. Between the engine and spinner a Drehmomentmesswel le is mounted to receive the torque M and the rotational speed or angular velocity ω over time during acceleration and deceleration. From this measurement one obtains according to the equation J (i ω. (t) + Kω (t) = M (t) (2) First, the total moment of inertia J G = J 1 + J 2 + J Δ of the entire rotor during rotation. J Δ here is the difference in the effective moment of inertia between the rotation of the rotor and the torsional vibration between compressors 20 and turbine 30 at.

Im letzteren Fall trägt die Welle 10 nur teilweise zum Trägheitsmoment bei, da aufgrund der Torsion ein neutraler Punkt auf der Welle 10 existiert, von dem ausgehend die Schwingauslenkungen nach vorn und hinten kontinuierlich zunehmen. Diese Korrektur JΔ kann ausreichend genau theoretisch abgeschätzt werden, da der hierdurch verursachte Fehler in J = JG – JΔ wegen des geringen Beitrags der Welle zum Gesamtträgheitsmoment klein ist.In the latter case, the wave carries 10 only partially to the moment of inertia, because due to the torsion a neutral point on the shaft 10 exists, from which the oscillatory deflections increase continuously forward and backward. This correction J Δ can be estimated theoretically with sufficient accuracy, since the error in J = J G - J Δ caused thereby is small because of the small contribution of the shaft to the total moment of inertia.

Aus dem gleichen Grund kann auch die erforderliche Korrektur von JG bzgl. Fliehkraft und Temperaturdehnung auf Basis theoretischer Modelle erfolgen.Out For the same reason, the required correction of JG with regard to centrifugal force and thermal expansion on the basis of theoretical models respectively.

Die beim Beschleunigen und Abbremsen des Niederdruckrotors gleichermaßen auftretenden und in Gleichung (2) durch den Koeffizienten K beschriebenen bremsenden Kräfte können durch Vergleich der Messdaten beim Beschleunigen und Abbremsen des Rotors bestimmt werden.The during acceleration and deceleration of the low pressure rotor alike occurring and described in equation (2) by the coefficient K. braking forces can be achieved by comparing the measured data be determined during acceleration and deceleration of the rotor.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 2006/0032319 A1 [0008] US 2006/0032319 A1 [0008]

Claims (12)

Vorrichtung zum Bestimmen eines Drehmoments an einer Turbinenwelle in einem Turbinentriebwerk mit einem Verdichter, einer Turbine, einer Turbinenwelle und einem Triebwerkgehäuse, wobei die Vorrichtung zumindest eine Anordnung zur berührungslosen Messung der integralen Verdrehung der Turbinenwelle und eine Einheit zur berührungslosen Messung der Rückstellkonstante der Turbinenwelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Vielzahl von Sensoren aufweist, die Wechselsignale erzeugen, welche eine Messung von Phasenlagen und/oder Durchlaufzeiten ermöglichen, und deren Signalform gleichzeitig eine Abstands- und/oder Spaltmessung ermöglicht.Apparatus for determining torque on a turbine shaft in a turbine engine having a compressor, a turbine, a turbine shaft, and an engine casing, the apparatus comprising at least one non-contact measurement of turbine shaft integral rotation and a non-contact measurement of the turbine shaft reset constant; characterized in that the arrangement comprises a plurality of sensors which generate alternating signals which allow a measurement of phase angles and / or cycle times, and whose waveform simultaneously enables a distance and / or gap measurement. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren radial gegen zwei axial zueinander versetzte zahnkranzähnliche Strukturen im Bereich des Verdichters und der Turbine, die fest mit der Turbinenwelle verbunden sind, angeordnet sind.Device according to claim 1, characterized characterized in that the sensors are radially against two axially to each other staggered gear-rim-like structures in the area of the compressor and the turbine, which are firmly connected to the turbine shaft, are arranged. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren im feststehenden Gehäuse in zwei axial zueinander versetzten Messebenen montiert sind, wobei jede Messebene mindestens drei Sensoren aufweist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the sensors in the stationary housing are mounted in two axially staggered measurement planes, wherein each measuring plane has at least three sensors. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der Radialposition der Welle relativ zum Triebwerkgehäuse auf die Messung der statischen Torsion herausgerechnet werden kann mittels Spaltmessung zwischen den Sensoren und den Zähnen auch bei nicht-äquidistanter Umfangsanordnung der Sensoren.Device according to claim 3, characterized characterized in that the influence of the radial position of the shaft relative to the engine case to the measurement of static torsion can be calculated out by gap measurement between the sensors and the teeth even with non-equidistant circumferential arrangement the sensors. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren an Stellen des Triebwerkgehäuses angeordnet sind, an denen keine Verdrehung der Messebenen zueinander zu erwarten ist.Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the sensors in places of the engine housing are arranged, where no rotation of the measuring planes to each other is to be expected. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren Wechselsignale erzeugen, deren Phasenlage linear mit der integralen Torsion der Welle unter Last verknüpft ist.Device according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the sensors alternating signals whose phase angle is linear with the integral torsion of the Wave is linked under load. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Sensoren kapazitive, induktive, auf Mikrowellen basierende Sensoren verwendet werden, oder andere Sensortypen, deren Signalform eine Abstands- bzw. Spaltmessung ermöglicht.Device according to one of the claims 1 to 6, characterized in that for the sensors Capacitive, inductive, microwave based sensors used or other sensor types whose waveform is a distance or gap measurement allows. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit zur Messung der Rückstellkonstanten eine Messeinrichtung zum Messen der Torsionsfrequenz der Torsionsschwingung aufweist.Device according to one of the claims 1 to 7, characterized in that the measuring unit for measuring the reset constant a measuring device for measuring the torsional frequency of the torsional vibration has. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit zur Messung der Rückstellkonstanten eine Einheit zur rechnerischen Bestimmung des Trägheitsmomentes der Welle, des Verdichters und der Turbine umfasst.Device according to one of the claims 1 to 8, characterized in that the measuring unit for measuring the reset constant is a unit for arithmetic Determination of the moment of inertia of the shaft, of the compressor and the turbine includes. Verfahren zur Bestimmung eines an einer Turbinewelle anliegenden Drehmoments, wobei zur Bestimmung des Drehmomentes die integrale Verdrehung der Turbinenwelle berührungslos gemessen wird und die Rückstellkonstante der Turbinenwelle berührungslos gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen mittels einer Vielzahl von Sensoren erfolgen, die Wechselsignale erzeugen, welche eine Messung von Phasenlagen und/oder Durchlaufzeiten ermöglichen, und deren Signalform gleichzeitig eine Abstands- und/oder Spaltmessung ermöglicht.Method for determining a on a turbine shaft applied torque, wherein for determining the torque integral rotation of the turbine shaft measured without contact and the resetting constant of the turbine shaft contact be measured, characterized in that the measurements by means of a plurality of sensors that generate alternating signals, which allow a measurement of phase angles and / or cycle times, and their waveform simultaneously a distance and / or gap measurement allows. Verfahren gemäß Anspruch 10, weiterhin mit den Schritten Bestimmen des Gesamtträgheitsmoments des Rotors, Bestimmen eines Korrekturwerts auf Basis theoretischer Modelle, und Berechnen des Trägheitsmoments der Welle, des Verdichters und der Turbine aus Messwerten der Sensoren und dem bestimmten Gesamtträgheitsmoment des Rotors und dem bestimmten Korrekturwert.The method of claim 10, further with the steps Determine the total moment of inertia the rotor, Determining a correction value based on theoretical models, and Calculate the moment of inertia of Shaft, compressor and turbine from readings of sensors and the determined total moment of inertia of the rotor and the certain correction value. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt wird.A method according to claim 10 or 11, characterized in that this with a device according to a of claims 1 to 8 is executed.
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