Stand der Technik Antriebe, die eine Welle antreiben, sind aus einer Vielzahl von Anwendungen bekannt. Beispielsweise treibt ein Kolbenmotor eine Kurbelwelle und einen damit gekoppelten Antriebsstrang an. Ein Elektromotor treibt seine Rotorwelle und ggf. einen damit gekoppelten Antriebsstrang an. Ebenso treibt auch eine Turbomaschine ihren Rotor an. Für den Betrieb derartiger Antriebe bzw. für den Betrieb von mit derartigen Antrieben ausgestatteten Anlagen kann es erforderlich sein, die vom jeweiligen Antrieb auf die jeweilige Welle übertragene Leistung möglichst genau zu kennen. Bei Kenntnis der Wellenleistung können beispielsweise Betriebsparameter der Anlage bzw. des jeweiligen Antriebs leistungsgeführt geregelt werden.

Eine direkte Messung der vom jeweiligen Antrieb auf die jeweilige Welle übertragenen Leistung ist in der Regel während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des jeweiligen Antriebs nur vergleichsweise schwierig realisierbar.

Beispielsweise wird bei Kolbenmotoren die aktuelle Motorleistung aus Kennfeldern ermittelt, in denen die Motorleistung in Abhängigkeit einer Drosselklappenstellung und einer Motordrehzahl abgelegt ist. Derartige Kennfelder werden in speziellen Prüfständen aufgenommen und haben aufgrund von Herstellungstoleranzen der Kolbenmotoren nur eine begrenzte Genauigkeit.

Bei Elektromotoren kann die auf den Rotor übertragene Leistung relativ einfach aus der vom Elektromotor aufgenommenen elektrischen Leistung bestimmt werden, wobei empirisch ermittelte Verlustbeiwerte berücksichtigt werden. Bei einer Turbogruppe, die in einer Kraftwerksanlage einen Generator antreibt, kann die von der Turbogruppe auf die Welle übertragene Leistung ebenfalls anhand der vom Generator erzeugten elektrischen Leistung bestimmt werden, wobei auch hier empirisch ermittelte Verlustbeiwerte zu berücksichtigen sind.

Darüber hinaus lässt sich über die elektrische Leistung des Generators die von der Turbogruppe auf die Welle übertragene Leistung nur in einem stationären Betriebszustand relativ genau bestimmen. Während transienter Zustände, insbesondere beim Anfahren oder Hochfahren einer derartigen Gasturbinenanlage, erfordert eine exakte Bestimmung der Wirkleistung bei modernen, getakteten Antrieben einen hohen Meßaufwand ; bzw. ist die Bestimmung der Antriebsleistung durch die hochfrequente Variation der Blindleistung mit hohen Unsicherheiten behaftet. Die Erfassung der Leistung beim Anfahren oder Starten einer Turbogruppe ist somit sehr schwierig und aufwändig.

Bei einem Antriebssystem, bei dem mehrere Antriebe eine gemeinsame Welle antreiben, kann es erforderlich sein, die von den einzelnen Antrieben abgegebene Leistung individuell zu erfassen, beispielsweise um die einzelnen Antriebe individuell regeln zu können. Hier gestaltet sich die Leistungsmessung aufwändig und schwierig. Bei einer Turbogruppe, deren Rotor von einer Gasturbine und von einer Dampfturbine angetrieben ist, behilft man sich beispielsweise mit einer thermodynamischen Bilanzierung, um die von der gesamten Turbogruppe auf den Rotor übertragene Leistung auf die einzelnen Antriebe (Gasturbine und Dampfturbine) zu verteilen. Eine derartige Bilanzierung ist jedoch mit Fehlern behaftet. Bei umfangreicheren Anlagen, die beispielsweise auch eine Niederdruckturbine und eine Mitteldruckturbine umfassen, gestaltet sich die Berechnung der individuellen Leistung der einzelnen Antriebe sehr komplex, wobei gleichzeitig die Genauigkeit abnimmt.

Darstellung der Erfindung Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Antrieb, der eine Welle drehend antreibt, einen verbesserten Weg aufzuzeigen, die vom Antrieb auf die Welle übertragene Leistung zu messen. Insbesondere soll ein Weg aufgezeigt werden, der eine direkte und kontinuierliche Messung der Wellenleistung ermöglicht. Des Weiteren soll ein Weg aufgezeigt werden, der beim Starten einer Turbogruppe die Messung der Wellenleistung vereinfacht.

Außerdem soll ein Weg aufgezeigt werden, der bei einem Antriebsstrang mit mehreren Antrieben eine separate Messung der individuellen Antriebsleistungen der einzelnen Antriebe ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit Hilfe eines Drehmomentsensors ein Signal zu erfassen, das mit einem Drehmoment korreliert, das an der jeweiligen Messstelle innerhalb der Welle übertragen wird.

Mit Hilfe des Drehmoments kann dann in Verbindung mit der aktuellen Drehzahl der Welle die aktuelle Wellenleistung im besagten Meßpunkt berechnet werden.

Sofern der Drehmomentsensor berührungslos an der Welle das jeweilige Signal ermittelt, ergeben sich keine Rückwirkungen auf den Antrieb. Des Weiteren ist der Installationsaufwand sehr gering.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur Messung der Wellenleistung wir die von der Welle übertragene Leistung direkt und kontinuierlich erfasst. Insbesondere kann somit die Wellenleistung auch bei diskontinuierlichen Vorgängen oder bei transienten Vorgängen gemessen werden.

Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, dass bei einem Antriebsstrang, bei dem mehrere Antriebe eine gemeinsame Welle antreiben, die von den einzelnen Antrieben auf die Welle übertragene Leistung individuell ermittelt werden kann, ohne dass dabei auf komplexe und fehlerbehaftete Berechnungsmodelle zurückgegriffen werden muss.

Der hierbei verwendete Drehmomentsensor arbeitet auf der Grundlage eines anisotropen magnetostriktiven Effekts, der bei ferromagnetischen Wellen auftritt.

Das von der Welle übertragene Drehmoment erzeugt in der Welle eine Torsion, was im Werkstoff der Welle zu Torsionsspannungen führt. Diese Torsionsspannungen verändern die magnetische Permeabilität in Richtung der Dehnspannungen und Druckspannungen. Mit Hilfe des Sensors kann nun die Permeabilität bzw. die Permeabilitätsänderung an der jeweiligen Messstelle an der Welle gemessen werden. Die Funktionsweise des Drehmomentsensors beruht nun auf der Erkenntnis, dass sich die Permeabilität in einem hinreichend großen Meßbereich proportional zur Torsionsspannung an derWellenoberfläche verhält. Des Weiteren ist die Torsionsspannung proportional zur Torsion der Welle, so dass bei Kenntnis der Wellenparameter, wie z. B.

Flächenträgheitsmoment und Werkstoff, das in der Welle wirksame Drehmoment berechnet werden kann. Demzufolge nutzt die vorliegende Erfindung die Erkenntnis, dass die mit Hilfe des Drehmomentsensors ohne weiteres berührungslos meßbare Permeabilität mit der Torsionsspannung korreliert und diese mit dem übertragenen Drehmoment korreliert, so dass letztlich die mit Hilfe des Sensors berührungslos erfassbare Permeabilität mit dem in der Messstelle übertragenen Drehmoment korreliert. Auf diese Weise kann ohne weiteres mit Hilfe des Drehmomentsensors ein mit dem Drehmoment korrelierendes Signal generiert werden.

Wie erläutert, ist zur Bestimmung der Wellenleistung neben dem Drehmoment zusätzlich die Drehzahl der Welle erforderlich. Bei bestimmten Antrieben können entsprechende Steuergeräte ohne weiteres ein mit der Drehzahl korrelierendes Drehzahlsignal bereitstellen, so dass zur Bestimmung der Wellenleistung auf ein ohnehin vorhandenes Drehzahlsignal zurückgegriffen werden kann. Sofern die Drehzahl der Welle separat ermittelt werden muss, kann hierzu ein üblicher Drehzahlsensor verwendet werden. Bevorzugt wird ein berührungslos arbeitender Drehzahlsensor, der die aktuelle Drehzahl der Welle beispielsweise induktiv oder optisch erfassen kann. Hierdurch kann wieder eine nachteilige Wechselwirkung mit dem Antrieb vermieden werden.

Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise zur Anwendung bei einem Antriebsstrang einer Turbogruppe, bei der mehrere Antriebe, z. B. eine Gasturbine und eine Dampfturbine, eine gemeinsame Welle, in der Regel einen Rotor der Turbogruppe, antreiben. Durch eine entsprechende Auswahl der jeweiligen Messstelle entlang der Welle kann mit Hilfe der Erfindung die von den einzelnen Antrieben in die gemeinsame Welle eingeleitete Leistung individuell ermittelt werden. Und dies sowohl bei stationären Betriebszuständen als auch beim Hochfahren der Turbogruppe sowie bei anderen transienten Zuständen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Fig. 1 zeigt eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung Entsprechend Fig. 1 ist ein Antrieb 1 mit einer Welle 2 antriebsgekoppelt, so dass der Antrieb 1 im Betrieb die Welle 2 rotierend antreibt. Beim Antrieb 1 kann es sich grundsätzlich um eine beliebige, zum Drehantrieb der Welle 2 geeignete Antriebsmaschine handeln, wie z. B. um einen Kolbenmotor, einen Elektromotor oder eine Strömungsmaschine. Im hier gezeigten Beispiel ist der Antrieb 1 eine Turbine, z. B. eine Gasturbine oder eine Dampfturbine. Die Turbine 1 kann dabei einen Bestandteil einer Turbogruppe bilden, die eine oder mehrere Strömungsmaschinen umfasst. Insbesondere kann die Turbogruppe mehrere antreibende Strömungsmaschinen, wie z. B. eine oder mehrere Gasturbinen und/oder eine oder mehrere Dampfturbinen umfassen, die jeweils die Welle 2 antreiben.

Bei der Welle 2 handelt es sich somit um eine grundsätzliche beliebige Abtriebswelle des Antriebs 1, insbesondere um eine Kurbelwelle eines Kolbenmotors oder um einen Rotor eines Elektromotors oder um einen mit der Kurbelwelle bzw. mit dem Rotor gekoppelten Antriebsstrang. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Welle 2 um einen Rotor der Turbine 1 bzw. der Turbogruppe, deren Bestandteil die Turbine 1 ist.

Über die Welle 2 treibt der Antrieb 1 in der Regel eine hier nicht gezeigte Maschine an, die beispielsweise eine Pumpe sein kann. Sofern es sich beim Antrieb 1 um eine Turbine 1 bzw. um eine Turbogruppe handelt, treibt die Welle 2 zweckmäßig zumindest einen Generator an.

Zur Messung der vom Antrieb 1 auf die Welle 2 übertragenen Leitung ist eine erfindungsgemäße Messeinrichtung 3 vorgesehen. Die Messeinrichtung 3 umfasst zumindest einen Drehmomentsensor 4, der an einer geeigneten, durch eine geschweifte Klammer symbolisierten Messstelle 5 entlang der Welle 2 angeordnet ist. Der Drehmomentsensor 2 generiert auf eine weiter unten näher erläuterte Art ein Signal M, das mit dem innerhalb der Messstelle 5 von der Welle 2 übertragenen Drehmoment korreliert.

Die Messeinrichtung 3 umfasst außerdem eine Auswerteeinheit 6, welcher das Signal M des Drehmomentsensors 4 zugeführt wird. Sofern der Drehmomentsensor 4 ein analoges Signal M erzeugt, ist zwischen dem Drehmomentsensor 4 und der Auswerteeinheit 6 ein Anlog/Digital-Wandler 7 angeordnet, der das eingehende Analogsignal in ein ausgehendes Digitalsignal transformiert. Des Weiteren hat die Auswerteeinheit 6 Zugriff auf eine Drehzahl der Welle 2. Beispielsweise wird die Wellendrehzahl innerhalb eines anderen Systems des Antriebs 1 bereits für einen anderen Zweck ermittelt und/oder bereitgestellt, so dass die Auswerteeinheit 6 lediglich mit besagtem System verbunden werden muss. Bei der hier gezeigten Ausführungsform wird die Wellendrehzahl mit Hilfe eines Drehzahlsensors 8 ermittelt, der das mit der Wellendrehzahl korrelierende Drehzahisignal n generiert und der Auswerteeinheit 6 zuführt. Die Auswerteeinheit 6 kann nun aus dem eingehenden Signal M des Drehmomentsensors 4 und dem Drehzahlsignal n ein mit der Leistung des Antriebs 1 korrelierendes Leistungssignal P ermitteln ; Üblicherweise gilt hier P=Mx2xxxn.

Der Drehzahisensor 8 arbeitet vorzugsweise berührungslos und kann die Drehzahl der Welle 2 z. B. optisch oder induktiv erfassen. Erfindungsgemäß arbeitet auch der Drehmomentsensor 4 berührungslos. Zum einen ergeben sich dadurch keine nachteiligen Wechselwirkungen zwischen der Sensorik 4,8 und der Welle 2 bzw. dem Antrieb 1. Zum anderen wird dadurch der Installationsaufwand für die Messeinrichtung 3 erheblich reduziert, da der Drehmomentsensor 4 quasi an jeder beliebigen, geeigneten, entsprechend zugänglichen Stelle entlang der Welle 2 positioniert werden kann.

Die Welle 2 besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. aus Stahl. Es hat sich gezeigt, dass sich die magnetische Permeabilität einer derartigen Welle 2 in Abhängigkeit der sich darin ausbildenden Torsionsspannungen ändert. Bei der vorliegenden Erfindung wird dies genutzt, in dem der Drehmomentsensor 4 so ausgestaltet wird, dass er ein mit der magnetischen Permeabilität korrelierendes Signal an der Messstelle 5 berührungslos erfassen kann. Da die Permeabilität in einem für die hier vorliegenden Meßzwecke ausreichend großen Meßbereich proportional zur Torsionsspannung an der Oberfläche der Welle 2 ist, korreliert das vom Drehmomentsensor 4 erzeugte Signal auch mit der Torsionsspannung an der Wellenoberfläche im Meßpunkt 5. Da außerdem die Torsionsspannung auf die Torsion der Welle 2 im jeweiligen Meßpunkt 5 und somit auf das von der Welle 2 im Meßpunkt 5 übertragene Drehmoment zurückgeht, korreliert die Torsionsspannung ihrerseits mit dem Drehmoment.

Letztlich korreliert somit die Permeabilität der Welle 2 mit dem von der Welle 2 übertragenen Drehmoment. Dementsprechend korreliert das vom Drehmomentsensor 4 ermittelte Signal M mit dem von der Welle 2 im Bereich der Messstelle 2 übertragenen Drehmoment.

Die Drehmomentmessung mit Hilfe des Drehmomentsensors 4 kann bei einer Weiterbildung der Messeinrichtung 3 auch dazu genutzt werden, den zeitlichen Verlauf des Drehmoments an der Messstelle 5 zu überwachen. Insbesondere können dadurch Torsionsschwingungen der Welle 2 analysiert werden. Diese Überwachung und Auswertung von Torsionsschwingungen kann dabei in der hier gezeigten Auswerteeinheit 6 erfolgen oder alternativ in einer anderen, zusätzlichen Auswerteeinheit, die auf das vom Drehmomentsensor 4 erzeugte Signal M Zugriff hat bzw. parallel mit diesem Signal M vom Drehmomentsensor 4 versorgt wird.

Die erfindungsgemäße Messeinrichtung 3 kann beispielsweise in ein Prüfstandsystem integriert werden, mit dessen Hilfe eine separate Wellenleistungsmessung durchgeführt werden kann. Desweiteren kann die Messeinrichtung 3 zweckmäßig auch in ein Messsystem eingebunden werden, das zur Messung separater Antriebsleistungen von mehreren Antrieben 1 geeignet ist, wobei diese Antriebe 1 die selbe Welle 2 antreiben. Beispielsweise sind über die Welle 2 ein Generator, eine Gasturbine, ein Verdichter und eine Dampfturbine miteinander verbunden. Durch geeignete Anordnung der Messstellen 5 zwischen den einzelnen Antriebs-und/oder Antriebskomponenten, kann durch Addition bzw. Summenbildung ohne weiteres die vom Generator aufgenommene Leistung, die vom Verdichter aufgenommene Leistung, die von der Gasturbine eingebrachte Leistung und die von der Dampfturbine eingebrachte Leistung individuell und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Empirische Abschätzungen mittels thermodynamischer Berechnungsmethoden sind hierbei nicht erforderlich.

Die Messeinrichtung 3 kann besonders einfach in ein Leistungsregelungssystem für den Antrieb 1 integriert werden. Auf diese Weise ist eine leistungsgeführte Regelung des jeweiligen Antriebs 1 ohne weiteres darstellbar. Beispielsweise kann die Messeinrichtung 3 dazu in einen Regelkreis (Closed Loop Control) eingebunden werden. Dies gilt in entsprechender Weise auch für ein Regelungssystem, das die Leistung mehrerer Antriebe 1, die eine gemeinsame Welle 2 antreiben, mit Hilfe einer entsprechenden Anzahl erfindungsgemäßer Messeinrichtungen 3 individuell einstellen bzw. regeln kann.

Darüber hinaus kann die Messeinrichtung 3 in ein anderes Leistungsmesssystem integriert werden, das zur Bestimmung der Leistung eines Generators dient. Die von der erfindungsgemäßen Messeinrichtung 3 ermittelten Leistungswerte können dabei als redundante Werte zu denjenigen des anderen Leistungsmesssystems verwendeten werden. Insoweit ermöglicht die Messeinrichtung 3 eine preiswerte Überwachung anderer, in der Regel aufwändigerer Leistungsmesssysteme.

Mit Hilfe von Antriebsschutzsystemen kann der ordnungsgemäße Betrieb des Antriebs 1, beispielsweise einer Turbogruppe, überwacht werden. Durch Einbindung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung 3 in ein derartiges Antriebsschutzsystem wird ein zusätzlicher Parameter bereitgestellt, der für die Überwachung des ordnungsgemäßen Betriebs des Antriebs 1 vorteilhaft herangezogen werden kann. Desweiteren sind Diagnose-und/oder Monitoringsysteme möglich, mit deren Hilfe der zeitliche Verlauf der Antriebsleistung überwacht, ausgewertet und/oder visualisiert werden kann. Auch hier kann die erfindungsgemäße Messeinrichtung 3 auf besonders preiswerte Weise die benötigten Leistungssignale P liefern.

Wie bereits weiter oben erwähnt, kann die erfindungsgemäße Messeinrichtung 3 auch in ein Torsionsschwingungsanalysesystem eingebunden werden, mit dessen Hilfe das Schwingungsverhalten der Welle 2 überwacht werden kann.

Das Schwingungsverhalten der Welle 2 gibt wiederum Rückschluss über den aktuellen Betriebszustand des Antriebs 1.

Bezugszeichenliste 1 Antrieb/Turbine/Turbogruppe 2 Welle/Rotor 3 Messeinrichtung 4 Drehmomentsensor 5 Messstelle 6 Auswerteeinheit 7 Analog/Digital-Wandler 8 Drehzahisensor M Signal von 4 n Signal von 8 P Signal von 6