Messanordnung zur Erfassung eines 1/Umdrehungsimpulses eines Triebwerkrotors sowie Verfahren hierzu

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Erfassung einer Drehbewegung eines Rotors, insbesondere eines Rotors, welcher drehbar in einem Verdichtergehäuse eines Strahltriebwerks aufgenommen ist, wobei der Rotor Schaufelelemente aufweist, welche äquidistant auf dem Umfang des Rotors angeordnet sind, und wobei ferner ein Sensor vorgesehen ist, welcher Messsignale zur elektronischen Weiterverarbeitung ausgibt, und wenigstens eine Maßverkörperung am Rotor ausgebildet ist, die mittels des Sensors durch die Drehbewegung periodisch erfassbar ist.

Beim Test von Komponenten von Strahltriebwerken, wie dem Verdichter oder der Turbine in einem Rig- Aufbau ist die Antriebswelle meist problemlos zugänglich. In diesen Fällen kann der 1 /Umdrehungsimpuls einfach durch einen optischen Reflexionssensor, der auf eine Farbmarkierung auf der Antriebswelle reagiert, oder durch einen Abstandssensor, der lokale Vertiefungen oder Erhöhungen der Welle erkennt, erzeugt werden.

Hingegen entsteht bei Messungen an Volltriebwerken das Problem, dass die Welle wesentlich schwieriger zugänglich ist, und Sensoren nur sehr aufwendig an der Welle angebracht werden können. Insbesondere entsteht bei Hochdruckverdichtern das Problem, dass ein erheblicher konstruktiver Aufwand erforderlich ist, um Halterungen für die Sensoren einzubringen und die Kabel zur übertragung der Messsignale nach außen zu führen. Sofern ein Drehzahlgeber vorhanden ist, kann ein Zahn einer Zahnscheibe, die auf der Rotorwelle angeordnet ist, gekürzt werden, woraus ein l/Umdrehungsimpuls abgeleitet werden kann. Dies ist aber meist gar nicht oder

zumindest nicht mit vertretbarem Aufwand kurzfristig durchführbar, und erfordert außerdem den Eingriff in ein fertiges und funktionierendes Bauteil des Strahltriebwerks.

In Fig.4 ist ein Messaufbau gemäß dem Stand der Technik wiedergegeben, welcher geeignet ist, die Umdrehung eines Rotors eines Strahltriebwerks zu messen. Auf einer Rotorwelle 30 ist verdrehfest ein Zahnkranz 31 angeordnet, welcher eine Vielzahl von Zähnen mit kurzen Schlitzen 33 dazwischen aufweist. Dieser mit Zähnen versehene Zahnkranz 31 wird allgemein als Phonic Wheel bezeichnet. Beispielhaft sind zwei magnetische Sensoren 32 a und b dargestellt, welche sich nahe an den kurzen Schlitzen 33 bzw. an einem langen Schlitz 34 des Zahnkranzes 31 befinden. Läuft die Rotorwelle 30 mit einer Drehbewegung um die eigene Achse, so bewegen sich die Schlitze 33, 34 unter den Sensoren 32 a und b hinweg. Sind diese beispielsweise als magnetische Sensoren ausgebildet, so gibt der Sensor 32 a bei den Schlitzen 33 und 34 ein periodisch wiederkehrendes gleichförmiges Messsignal aus. Bei dem langen Schlitz 34 gibt nur der Sensor 32 b ein Messsignal aus. Dieses Messsignal kann durch eine Messwerterfassung extrahiert werden, woraus ein 1 /Umdrehungsimpuls abgeleitet werden kann.

Gemäß dieses Aufbaus des Standes der Technik ergibt sich das Problem, dass sich die Zugänglichkeit eines sich an der Rotorwelle 30 befindenden Zahnkranzes 31 und der nahe am Zahnkranz 31 angeordneten Sensoren 32 a, b sehr schwer gestaltet. Allgemein sind Strahltriebwerke hinsichtlich ihrer angeordneten Komponenten sehr dicht gepackt, so dass die Rotorwelle selbst in einem zusammengebauten Zustand des Strahltriebwerks von außen gar nicht oder nur sehr schwer zugänglich ist. Auch Halterungen zur Anbringung der Sensoren sind schwierig ausführbar, da insbesondere ein räumliches Problem gegeben ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messanordnung zur Erfassung eines 1 /Umdrehungsimpulses eines Triebwerksrotors zu schaffen, welche

sich durch eine einfache Anordnung der Sensoren auszeichnet und eine einfache Zugänglichkeit bietet.

Diese Aufgabe wird durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Maßverkörperung durch wenigstens ein modifiziertes Schaufelelement gebildet ist, welches einen endseitig gekürzten Bereich aufweist, und wobei der Sensor beim Vorbeilauf der Schaufelelemente ein jeweils etwa gleiches Messsignal ausgibt und beim Vorbeilauf des modifizierten Schaufelelementes ein modifiziertes Messsignal ausgibt.

Damit ergibt sich der erfindungswesentliche Vorteil, dass der Sensor zur Erfassung der Messsignale nicht mehr auf der Rotorwelle des Strahltriebwerks angeordnet werden muss. Es wird vielmehr die Möglichkeit geschaffen, den Sensor zur Erfassung der Messsignale im äußeren Bereich des Strahltriebwerks anzuordnen, welcher sich zumindest außerhalb der Umlaufbahn der Schaufelelemente befindet. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung des Sensors im Verdichtergehäuse des Strahltriebwerks, so dass dieser nahe an die äußere Umlaufbahn der Schaufelelemente gebracht ist, und die Schaufelelemente mit den endseitigen Bereichen am Sensor vorbeilaufen. Laufen die nicht modifizierten Schaufelelemente am Sensor vorbei, so werden Messsignale ausgegeben, welche sich einander gleichen. Läuft jedoch das modifizierte Schaufelelement am Sensor vorbei, so gibt dieser ein modifiziertes Messsignal aus, welches sich von den übrigen Messsignalen unterscheidet. Die Modifizierung des Schaufelelements wird durch einen gekürzten Bereich gebildet, welcher sich im Endbereich des Schaufelelements, d.h. in dem Bereich des größten Umlaufradius des

Schaufelelements befindet. Die Kürzung des Schaufelelements wird auf eine Weise vorgenommen, so dass sich dieses deutlich aus der Längenstreuung der übrigen Schaufelelemente hervorhebt. Die Größe der Kürzung des Schaufelelements hängt von der Schwankungsbreite der einzelnen Schaufellängen ab, da sie diese deutlich überschreiten muss. Ein typischer Wert für die Kürzung kann in einem Bereich von 0,1 - 2 mm, vorzugsweise von 0,25 - 1 mm und besonders bevorzugt 0,5 mm gesehen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor als ein abstandsempfindlicher Sensor ausgebildet ist. Dieser kann nach einem kapazitiven, nach einem magnetischen und /oder nach einem optischen Prinzip der Messsignalerfassung funktionieren. Kapazitive Sensoren kommen beispielsweise auch für Messungen des Radialspiels zwischen dem Rotor und dem Gehäuse zum Einsatz, wobei generell alle Abstandssensoren Anwendung finden können, die mit anderen physikalischen Prinzipien arbeiten und die entsprechende geometrische änderung des Schaufelelements detektieren können. Beispielsweise ist auch denkbar, ein optisches und insbesondere ein laserbasiertes System anzuwenden, welches ebenfalls berührungslos die geometrische änderung des modifizierten Schaufelelements detektieren kann.

Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass sich der gekürzte Bereich des modifizierten Schaufelelements über die gesamte Sehnenlänge des Schaufelelements erstreckt oder nur in einem Teilbereich der Sehnenlänge ausgebildet ist. Die Sehnenlänge beschreibt dabei die Länge des Schaufelprofils gemessen von der Profilvorderkante zur Profilhinterkante. Um aufgrund des Masseverlustes durch den gekürzten Bereich des modifizierten Schaufelelements die entstehende Unwucht zu minimieren, kann daher vorgesehen sein, das modifizierte Schaufelelement nicht über der gesamten Profillänge, d.h. über der gesamten

Sehnenlänge zu kürzen, sondern nur in einem Teilbereich eine geometrische Veränderung vorzunehmen. Hier ist beispielsweise eine Kürzung der Schaufelspitze im Bereich der Profilhinterkante möglich. über diesem Teilbereich ist der Sensor angeordnet, wobei ein kleiner gekürzter Bereich des modifizierten Schaufelelements ausreicht, um eine hinreichende Unterscheidbarkeit des modifizierten Messsignals vom nicht modifizierten Messsignal zu schaffen.

Im Fall der Ausbildung des gekürzten Bereichs in einem Teilbereich der Sehnenlänge des modifizierten Schaufelelements ist vorgesehen, dass der übergang des gekürzten Bereichs zum nicht gekürzten Bereich der Schaufelendseite Ausrundungsradien aufweist. Damit wird ein gleichmäßiger übergang vom ungekürzten zum gekürzten Bereich geschaffen.

Vorteilhafterweise weist das modifizierte Messsignal eine niedrigere Amplitude auf, als das nicht modifizierte Messsignal. Bei Anwendung eines kapazitiven Sensors wird ein Messsignal ausgegeben, welches mit größerer Annäherung des Sensors an das metallische Bauteil, verkörpert durch das Schaufelelement, ein Messsignal mit höherer Amplitude ausgibt. Die Höhe der Amplitude äußert sich dabei in der Höhe der ausgegebenen Messspannung. Läuft ein nicht modifiziertes Schaufelelement am Sensor vorbei, so bewegt sich dieses durch die nicht vorhandene Kürzung näher am Sensor, wohingegen ein modifiziertes Schaufelelement mit einem gekürzten Bereich einen größeren Abstand zum messenden Sensor aufweist. Dadurch fällt die Spannung des Messsignals niedriger aus als beim Vorbeilaufen eines nicht modifizierten Schaufelelements mit einem nicht gekürzten Bereich. Durch eine Weiterverarbeitung des Messsignals kann nachfolgend das kleinere Messsignal aus den einander gleichen größeren Messsignalen herausgefiltert werden, um daraus einen 1 /Umdrehungsimpuls zu generieren.

Ferner ist ein Verfahren zur Weiterverarbeitung von Messsignalen vorgesehen, wobei die Messsignale mittels der Messanordnung ausgegeben werden und wobei die Messsignale Scheitelwerte aufweisen, welche mit Abtast- oder Haltegliedern bis zum Scheitelwert des nachfolgenden Messsignals gehalten werden, um einen Scheitelwertverlauf zu bilden. Wird nun ein normales Messsignal erfasst, so bildet der Scheitelwert das Maximum der Messspannung. Dieses Maximum wird in einem Speicher gehalten und so lange unverändert gespeichert, bis der nächste Scheitelwert des folgenden Messsignals erfasst wird und sich dieser Scheitelwert vom vorangegangenen Scheitelwert unterscheidet. Durch dieses auch als "Sample and Hold' bezeichnete Prinzip ist es möglich, einen Scheitelwertverlauf zu bilden, der lediglich die änderung der jeweiligen Scheitelwerte ausgibt.

Vorteilhafterweise wird dabei die Differenz aus dem Scheitelwert, welcher das Signalmaximum des Messsignals bildet und dem Signalminimum, welcher vom Sensor zwischen den Schaufelelementen gemessen wird, erfasst, so dass die Messanordnung gegen niederfrequente Signalstörungen unempfindlich ist. Dieser Vorteil kann geltend gemacht werden, wenn keine absoluten Werte gemessen werden, sondern nur eine Differenz zwischen Maximum und Minimum, so dass bei niederfrequenten Signalstörungen zwar das gesamte Spannungsniveau des Messsignals veränderbar ist, jedoch die Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum des Signals nicht verändert wird, so dass sich der ausgegebene Scheitelwertverlauf durch niederfrequente Signalstörungen nicht ändert.

Gemäß eines weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine Hochpassfilterung der Messsignale vorgenommen wird, um eine Offset-Unterdrückung zu schaffen und den Signalverlauf zu bilden. Ferner ist vorgesehen, dass eine Tiefpassfilterung der Messsignale vorgenommen wird, um eine Glättung der Signale zu schaffen und hieraus ebenfalls den Signalverlauf zu bilden. Um

nun ein 1 /Umdrehungsimpuls aus dem Signalverlauf zu isolieren, ist vorgesehen, dass eine Flankentriggerung des Signalverlaufes gegen eine Triggerschwelle gebildet wird. Nach der Flankentriggerung erfolgt noch eine anschließende Impulsformung, so dass ein 1 /Umdrehungsimpuls isoliert dargestellt werden kann. Fällt der Signal verlauf unter die Triggerschwelle, so gibt die Impulsformung den Beginn des 1 /Umdrehungsimpulses aus, wobei es zur weiteren Signalverarbeitung unerheblich ist, welche Impulsbreite der 1 /Umdrehungsimpuls aufweist. Alternativ kann vorgesehen werden, das überschreiten der Triggerschwelle zu detektieren und daraufhin die Impulsformung vorzunehmen, da sowohl das Unterschreiten als auch das überschreiten der Triggerschwelle pro Umdrehung des Rotors jeweils nur einmal auftritt.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig.l eine schematische Darstellung der Anordnung eines Sensors sowie eines modifizierten Schaufelelements in einer Seitenansicht gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig.2 eine Draufsicht eines Rotors mit mehreren Schaufelelementen, wobei ein

Schaufelelement als modifiziertes Schaufelelement dargestellt ist;

Fig.3a den Verlauf von Messsignalen, welche von der Messanordnung ausgegeben werden, wobei ein Messsignal als modifiziertes Messsignal dargestellt ist;

Fig.3b den Verlauf der Messsignale gemäß Fig.3a, wobei ferner ein

Scheitelwertverlauf dargestellt ist;

Fig.3c einen Scheitelwertverlauf gemäß Fig.3b, wobei ferner ein Signalverlauf dargestellt ist, welcher sich durch Hochpassfilterung und leichte Tiefpassfilterung ergibt und welcher gegen eine Triggerschwelle getriggert ist;

Fig.3d einen 1 /Umdrehungsimpuls zur Darstellung einer Umdrehung des Rotors des Strahltriebwerks; und

Fig.4 eine Messanordnung zur Erzeugung eines 1 /Umdrehungsimpulses direkt an der Rotorwelle gemäß des Standes der Technik.

Bei den Figuren handelt es sich lediglich um beispielhafte schematische Darstellungen der vorliegenden Erfindung.

Figur 1 zeigt eine Messanordnung 1 zur Generierung eines 1 /Umdrehungsimpulses, wobei ein Sensor 11 gemäß der vorliegenden Erfindung im Außenbereich des Strahltriebwerks angeordnet ist. Insbesondere ist der Sensor 11 im Verdichtergehäuse 17 angeordnet, und ist somit von der Außenseite des Strahltriebwerks leicht zugänglich. Der Sensor 11 ist als kapazitiver Abstandssensor ausgebildet, wobei unterhalb des Sensors 11 ein modifiziertes Schaufelelement 14 dargestellt ist, welches im radial außenseitigen Endbereich einen gekürzten Bereich 15 aufweist. Dieser gekürzte Bereich 15 erstreckt sich über einen Teilbereich der Sehnenlänge des modifizierten Schaufelelements 14, wobei die ursprüngliche Kontur des Schaufelelements 14 mittels einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Beim Vorbeilauf des modifizierten Schaufelelements 14 detektiert der Sensor 11 einen größeren Abstand der Körperkante

des modifizierten Schaufelelements 14, wobei der größere Abstand durch den gekürzten Bereich 15 gebildet wird. Der Sensor 11 kann dabei in das Verdichtergehäuse 17 eingeschraubt, geklemmt, geklebt oder auf sonstige Weise verbunden werden. Der sensierende Bereich des Sensors 11 ist in Richtung des Schaufelelements 14 ausgerichtet, wobei der Spalt zwischen dem Sensor 11 und dem Schaufelelement wenige Millimeter oder sogar Submillimeter betragen kann.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht eines Rotors 10, welches eine Vielzahl von Schaufelelementen 13 aufweist, wobei ein Schaufelelement als modifiziertes Schaufelelement 14 ausgebildet ist. Wie in der Figur dargestellt, ist das modifizierte Schaufelelement 14 kürzer als die übrigen Schaufelelemente 13, wobei die Kürzung des Schaufelelements 14 nur geringfügige Werte aufweist.

Figur 3 a zeigt ein Diagramm, wobei auf der Ordinate das Messsignal als Wert dargestellt ist, ohne dass diesem eine physikalische Größe zugeordnet ist. Im Folgenden kann angenommen werden, dass es sich bei dem Messsignal um eine Spannung U handelt. Auf der Abszisse ist die Zeit aufgetragen, über der die Messsignale aufgenommen werden. Zunächst folgen fünf normale Messsignale 12, welche einen im Wesentlichen gleichen Scheitelwert aufweisen. Das sechste Messsignal ist ein modifiziertes Messsignal 16, welches einen deutlich niedrigeren Scheitelwert aufweist. Nachfolgend sind beispielhaft drei weitere normale Messsignale 12 aufgetragen. Der niedrigere Scheitelwert des modifizierten Messsignals 16 resultiert aus dem größeren geometrischen Abstand des Sensors zum modifizierten Schaufelelement, und unterscheidet sich wesentlich von den übrigen Messsignalen 12. Die übrigen Messsignale 12 sind zueinander nicht vollständig gleich, sondern unterliegen auch einer gewissen Schwankung, wobei sich die Schwankungsbreite aus den verschiedenen Schaufellängen und Schaufeldicken (Fertigungstoleranz) ergibt. Jedoch ist der

Unterschied des Scheitelwertes des modifizierten Messsignals 16 wesentlich größer als die Schwankungsbreite der übrigen Messsignale 12.

Figur 3 b zeigt die Messsignale 12 bzw. 16 aus Figur 3 a, wobei ferner ein Scheitelwertverlauf 19 eingezeichnet ist. Dieser wird mittels Abtast- und/ oder Haltegliedern gebildet, indem zunächst ein erster Scheitel wert eines Messsignals detektiert wird, und bis zur Detektion eines weiteren Messsignals gehalten wird. Somit entsteht ein durchgehendes Signal in Form eines Scheitelwertverlaufs 19, wobei die Höhe des Signals 19 immer nur dann eine änderung erfährt, wenn sich ein Scheitelwert eines Messsignals 12 ändert.

Eine wesentliche änderung erfährt der Scheitelwertverlauf 19 dann, wenn auf ein Messsignal 12 ein modifiziertes Messsignal 16 folgt. Die änderung wird erst zurückgesetzt, wenn nach dem modifizierten Messsignal 16 wieder ein normales Messsignal 12 folgt.

Figur 3c zeigt neben dem Scheitelwertverlauf 19 einen Signal verlauf 20. Ferner ist eine Triggerschwelle 21 eingezeichnet. Der Signalverlauf 20 wird durch eine Hochpassfilterung des Signalverlaufs 19 vorgenommen, um eine Offset-Unterdrückung zu schaffen. Ferner erfolgt eine Tiefbassfilterung des Signals, um eine Glättung des Signalverlaufs zu schaffen. Entspricht der Signalverlauf 20 den Messsignalen 12, so wird die Triggerschwelle 21 nicht unterschritten. Folgt jedoch ein modifiziertes Messsignal 16, so wird die Triggerschwelle 21 unterschritten, wobei zunächst eine Flankentriggerung des Signalverlaufs 20 gegen die Triggerschwelle 21 gebildet wird.

Figur 3d zeigt einen 1 /Umdrehungsimpuls, welcher durch die Flankentriggerung des Signalverlaufs 20 aus Figur 3c isoliert werden kann, um eine Umdrehung des Rotors durch den 1 /Umdrehungsimpuls 22 darzustellen. Dabei wird der 1 /Umdrehungsimpuls

22 genau dann gebildet, wenn der Signalverlauf 20 die Triggerschwelle 21 unterschreitet. Die Breite, d.h. die Dauer des 1 /Umdrehungsimpulses 22 spielt für die Darstellung des Messwertes keine wesentliche Rolle, wobei ferner auch eine Triggerung des Messsignals erfolgen kann, wenn der Signalverlauf 20 die Triggerschwelle wieder überschreitet.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.