PREUSS, Stefan, Volker (Südpromenade 31, Wildau, 15745, DE)
DAUM, Carsten (Lintruper Straße 68, Berlin, 12305, DE)
PREUSS, Stefan, Volker (Südpromenade 31, Wildau, 15745, DE)
| Patentansprüche Telemetrieanordnung zur Datenübermittlung von einem rotierenden Bauteil, beispielsweise einem Rotor ei¬ ner Gasturbine, die einen in einem Telemetriegehäuse (10) beidseitig auf Lagern (11, 12) drehbar gelager¬ ten und an das rotierende Bauteil (3) gekoppelten Telemetrierotor (13) mit einem zentralen Kabelkanal (24), eine an den Telemetrierotor (13) gekoppelte und mit einer Sendeantenne (8) verbundene Tele- metrieelektronik (7), in dem Kabelkanal (24) verlaufende, mit der Telemetrieelektronik (7) und am rotierenden Bauteil (3) angebrachten Sensoren (5) verbundene Sensorkabel (6) sowie eine stationäre Emp¬ fangsantenne (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Telemetrierotor (13) einen vorderen und einen hinteren Rotorteil (13b, 13a) umfasst, die über eine Hohlschaft-Kegelverbindung (13c) unter Bildung eines die Telemetrieelektronik (7) aufnehmenden Hohlraums (22) und eines Befestigungsflansches (23) für die Sendeantenne (8) lösbar aneinander gefügt sind, wobei sich der Massenschwerpunkt des Tele- metrierotors (13) zwischen den beiden Lagern (11, 12) befindet, und dass der zentrale Kabelkanal (24) durch eine austauschbar im Telemetrierotor (13) befestigte Kabelführungshülse (15) mit für den betref¬ fenden Anwendungsfall jeweils an die Anzahl der durch diese geführten Sensorkabel (6) angepasstem Innendurchmesser gebildet ist. Telemetrieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Telemetrierotor (13) in dem diesen umgebenden Telemetriegehäuse (10) an einem Fest¬ lager (11) und einem Loslager (12) gelagert ist. Telemetrieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Telemetrieelektronik (7) und die Sendeantenne (8) über Steckverbinder (16) an den Te- lemetrierotor (13) angeschlossen sind. Telemetrieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Telemetrierotor (13) mit einem Gewindeabschnitt (19a) versehene Wuchtbohrungen (19) zum Anbringen von Wuchtgewichten ausgebildet sind. Telemetrieanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den am vorderen Rotorteil (13b) stirnseitig eingeformten Wuchtbohrungen (19) in dem diesen gegenüberliegenden Bereich des Telemetriege- häuses (10) mit einem Verschluss ( 17 ) verschließbare Öffnungen (18) zum Zuführen der Wuchtgewichte zugeordnet sind. Telemetrieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Telemetriegehäuse (10) zweiteilig ausgebildet ist und einen vorderen und einen hinte¬ ren Gehäuseteil (10b, 10a) umfasst, die über eine Hohlschaft-Kegelverbindung (10c) lösbar aneinander gefügt sind. Telemetrieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die das Festlager (11) und das Loslager (12) aufnehmenden Stirnseiten des Tele- metriegehäuses (10) LuftZuführungskanäle (20) zur Zuführung von Kühlluft zu den Lagern und in den zwischen dem Telemetriegehäuse (10) und dem Telemetrie¬ rotor (13) vorhandenen Raum zur Wärmeabfuhr über in dem Telemetriegehäuse (10) vorgesehene Luftauslass¬ öffnungen (21) ausgebildet sind. 8. Telemetrieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Rotorteil (13a) einen an dem Festlager (11) abgestützten rohrförmigen Abschnitt (13a'') umfasst, an dessen Innenfläche die jeweilige Kabelführungshülse (15) anbringbar ist und von dessen Außenfläche der Befestigungsflansch (23) mit einem von dessen Rand abstrebendem, im Querschnitt kegelförmigem Verbindungstück (13a') ausgeht, und dass das vordere Rotorteil (13b) einen Rohrabschnitt (13b'') umfasst, der über einen an dessen vorderem Rand angeformten Lagerflansch (25) am Loslager (12) abgestützt ist, und der an seinem dem kegelförmigen Verbindungsstück (13a') zugewandten hinteren Rand einen kegelförmigen Verbindungsabschnitt (13b') zur Herstellung der Hohlschaft- Kegelverbindung (13c) aufweist, wobei die Tele- metrieelektronik (7) in dem zwischen dem rohrförmigen Abschnitt (13a'') und dem Rohrabschnitt (13b'') gebildeten, nach vorn offenen Hohlraum (22) untergebracht ist. |
von einem rotierenden Bauteil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Telemetrieanordnung zur Datenübermittlung von einem rotierenden Bauteil, beispielsweise einem Rotor einer Gasturbine, die einen in einem Telemetriegehäuse beidseitig auf Lagern drehbar gelager- ten und an das rotierende Bauteil gekoppelten Telemetrie- rotor mit einem zentralen Kabelkanal, eine an den Tele- metrierotor gekoppelte und mit einer Sendeantenne verbun ¬ dene Telemetrieelektronik, in dem Kabelkanal verlaufende, mit der Telemetrieelektronik und am rotierenden Bauteil angebrachten Sensoren verbundene Sensorkabel sowie eine stationäre Empfangsantenne umfasst
Telemetriesysteme der eingangs erwähnten Art werden bei- spielsweise zur Untersuchung von in einem Prüfstand ange ¬ ordneten Verdichter- oder Turbinenrotoren (Versuchsträger) eingesetzt, um in Abhängigkeit von der jeweiligen Rotationsgeschwindigkeit auftretende Schwingungen, Span ¬ nungen, Temperaturen, Drücke oder andere Messdaten zu er- fassen. Es können einzelne Rotoren, aber auch komplette Triebwerke untersucht werden. Die zu diesem Zweck einge ¬ setzten bekannten Telemetrieanordnungen sind zum einen insofern nachteilig, als aufgrund einer ungleichmäßigen Lastverteilung der rotierenden Telemetriebauteile La- gerüberlastungen auftreten, die letztlich zu einer Verringerung der Lebensdauer des Telemetriesystems führen können. Wesentlichen Einfluss auf die Unwuchtbelastung des Telemetriesystems haben die im Telemetrierotor verlegten, die Sensoren mit der Telemetrieelektronik verbin- denden Sensorkabel, deren Anzahl in Abhängigkeit von dem zu untersuchenden Rotor zudem unterschiedlich sein kann. Die durch die Sensorkabel verursachte Unwuchtbelastung kann so groß sein, dass das Telemetriesystem nicht in dem zur Untersuchung des Rotors erforderlichen Drehzahlbereich betrieben werden kann. Eine hohe Lagerbelastung und die durch das rotierende Telemetriesystem in Rotation versetzte und komprimierte Luft bewirken darüber hinaus eine Temperaturerhöhung, die sich zum einen nachteilig auf die Funktion der Lager des Telemetrierotors auswirkt und sogar zu deren Zerstörung führen kann und zum anderen einen Ausfall der auf Halbleitern basierenden Elektronik des Telemetriesystems zur Folge haben kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tele- metrieanordnung zur Datenübermittlung von rotierenden Bauteilen, beispielsweise von auf einem Prüfstand mit ho ¬ her Geschwindigkeit rotierenden Rotoren einer Gasturbine, anzugeben, die kompakt ausgebildet ist und ein geringes Gewicht aufweist und - auch bei der Untersuchung unterschiedlich ausgebildeter Rotoren mit den maximal erfor- derlichen Drehzahlen - eine minimierte Wärmeentwicklung und eine hohe Funktionssicherheit der Lagerung des Te- lemtrierotors und der mit dieser verbundenen Telemetrie- elektronik sowie eine lange Lebensdauer des Telemetrie ¬ systems gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Telemetrie- anordnung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestal ¬ tungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass der Telemetrierotor einen vorderen und einen hinteren Rotor- teil umfasst, die über eine Hohlschaft-Kegelverbindung lösbar aneinander gefügt sind und zwischen den beiden La- gern des Telemetrierotors sowohl die Telemetrieelektronik als auch die Senderantenne aufnehmen, so dass sich der Massenschwerpunkt etwa mittig zwischen den beiden Lagern befindet. Die Hohlschaft-Kegelverbindung erfolgt unter Bildung eines die Telemetrieelektronik aufnehmenden Hohlraums und eines Befestigungsflansches für die Sendeanten ¬ ne. Der zentrisch im Telemetrierotor verlaufende Kabelkanal wird durch eine austauschbar im Telemetrierotor anbringbare Kabelführungshülse mit für den betreffenden Anwendungsfall, das heißt jeweils an die Anzahl der in dem Kabelkanal angeordneten Sensorkabel angepasstem Innendurchmesser gebildet ist. Der so ausgebildete Tele ¬ metrierotor weist neben einem geringen Gewicht und einer kompakten Bauweise ein optimales Wuchtverhalten auf, so dass dessen Betrieb bei hohen Drehzahlen und eine hohe Lebensdauer gewährleistet sind. Die Hohlschaft- Kegelverbindung der beiden Rotorteile ist bezüglich der Lebensdauer und des Wuchtverhaltens auch insofern vorteilhaft, als diese spielfreie Verbindung auf einfache Art mehrfach - und zwar im Wesentlichen verschleißfrei - getrennt und wieder zusammengefügt werden kann. Die bei ¬ den Bauteile schließen sich bei Rotation selbsttätig ohne Passungsverlust im Betrieb. Die geteilte, durch eine Hohlkegelpressverbindung verbundene Ausführung des Tele- metrierotors ermöglicht somit eine einfache Montage und Demontage der Telemetrieelektronik.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Telemetrierotor in dem diesen umgebenden Telemetriegehäuse an einem Festlager und einem Loslager gelagert, um dadurch die unterschiedliche Wärmedehnung der statischen und rotierenden Bauteile der Telemetrieanordnung zu kompensieren und somit die Belastung der Lager zu minimieren und letztlich deren Lebensdauer zu verlängern. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Telemetrieelektronik und die Sendeantenne zur weiteren Vereinfachung der Montage und Demontage über Steckverbinder im Telemetrierotor verbunden.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind in den Telemetrierotor mit einem Gewindeabschnitt versehene Wuchtbohrungen zum Anbringen von Wuchtgewichten ausgebildet. Den am vorderen Rotorteil stirnseitig eingeformten Wuchtbohrungen sind in dem diesen gegenüberliegenden Bereich des Telemetriegehäuses mit einem Verschluss ver ¬ schließbare Öffnungen zum Anbringen der Wuchtgewichte zu ¬ geordnet. Gegebenenfalls verbleibende Unwuchten können somit noch auf einfache Art ausgeglichen werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist auch das Telemetriegehäuse zweiteilig ausgebildet und umfasst ei ¬ nen vorderen und einen hinteren Gehäuseteil, die über eine Hohlschaft-Kegelverbindung lösbar aneinander gefügt sind. Auch dieses Merkmal gewährleistet bei einer an den jeweiligen Anwendungsfall erforderlichen Umrüstung des Telemetrierotors ein schnelles und einfaches Austauschen der Telemetrieelektronik oder der zur Erweiterung oder Verengung des Kabelkanals im Telemetrierotor austauschbar angebrachten Kabelführungshülse
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind in den das Festlager und das Loslager aufnehmenden Stirnseiten des Telemetriegehäuses LuftZuführungskanäle zur Zuführung von Kühlluft zu den Lagern und in den zwischen dem Telemetriegehäuse und dem Telemetrierotor vorhandenen Raum zur Wärmeabfuhr über in dem Telemetriegehäuse vorgesehene Luftauslassöffnungen ausgebildet. Dadurch wird Funktionsstörungen der Lager und der Telemetrieelektronik aufgrund zu hoher Temperaturen begegnet und deren Lebensdauer erhöht . Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur in einem Halbschnitt eine Telemetrieanordnung zur Bearbeitung und Übertragung der an einem in einem Prüfstand angeordneten Rotor er- fassten Messdaten dargestellt ist, näher erläutert.
In der Zeichnung ist schematisch ein - strichliert gezeichneter - Versuchsträger, das heißt ein auf Lagern 1 in einem Gehäuse 2 drehbar gelagertes rotierendes Bauteil
3 (beispielsweise ein Rotor) für den Verdichter eines Flugtriebwerks) dargestellt. An den an dem rotierenden Bauteil 3 in Umfangsrichtung angeordneten Rotorschaufeln
4 ist eine Vielzahl von Sensoren 5 zur Messung von
Schwingungen, Spannungen, Temperaturen, Drücken und dergleichen angeordnet, um entsprechend der jeweiligen Be ¬ lastung des rotierenden Bauteils 3 eine Aussage über den Zustand des Versuchsträgers treffen zu können. Über mit den Sensoren 5 verbundene Sensorkabel 6 werden die bei der Messung erzeugten elektrischen Signale zu einer mit dem rotierenden Bauteil verbundenen Telemetrieelektronik
7 (Telemetrie-/Transmittermodul) geleitet, um die Signale zu verarbeiten und - über ein Antennensystem aus einer rotierenden Sendeantenne 8 und einer stationären Emp- fangsantenne 9 nach außen zu übertragen und dort auswerten zu können. Die Telemetrieelektronik 7 und die Sende- und Empfangsantenne 8, 9 sind Bestandteil eines Tele- metriesystems , das einen in einem Telemetriegehäuse 10 auf einem Festlager 11 und einem Loslager 12 drehbar ge- lagerten, die Telemetrieelektronik 7 und die Sendeantenne
8 aufnehmenden Telemetrierotor 13 umfasst. Die Kombination aus einem Loslager 12 und einem Festlager 11 verringert die durch thermische Dehnung des Telemetriegehäuses 10 und des Telemetrierotors 13 bedingte Lagerbelastung. Der Telemetrierotor 13 ist über eine Verbindungswelle 14 mit dem hier zu untersuchenden rotierenden Bauteil 3 (Versuchsträger) lösbar verbunden.
Um die Telemetrieelektronik 7 und die Sendeantenne 8 in einen zwischen dem Festlager 11 und dem Loslager 12 des
Telemetrierotors 13 liegenden Bereich zu verlegen und da ¬ rüber hinaus einen einfachen Zugang zur Telemetrieelektronik 7 zu gewährleisten, umfasst der Telemetrierotor 13 einen an den Versuchsträger anschließenden hinteren Ro- torteil 13a und einen vorderen Rotorteil 13b, die über eine Hohlschaft-Kegelverbindung 13c miteinander verbunden sind. Mit dem aus zwei Rotorteilen bestehenden Telemetrierotor 13 werden ein Hohlraum 22 zur Aufnahme der Telemetrieelektronik 7 sowie ein Befestigungsflansch 23 zum Anbringen der Sendeantenne 8 geschaffen, so dass der Massenschwerpunkt des Telemetrierotors 13 zwischen den beiden Lagern liegt. Das Telemetriegehäuse 10 besteht auch aus einem vorderen Gehäuseteil 10b und einem hinte ¬ ren Gehäuseteil 10a, die durch eine Hohlschaft-Kegel- Verbindung 10c aneinander gefügt sind. Die Hohlschaft- Kegelverbindungen 10c, 13c lassen ein nahezu verschleißfreies sowie reproduzierbares Trennen und Zusammenfügen der beiden Gehäuseteile 10a, 10b bzw. Rotorteile 13a, 13b zu, so dass ein häufiger und einfacher Zugang zu der in das Innere des als zweiteiliger Hohlkörper ausgebildeten Telemetrierotors 13 integrierten und somit zwischen dem Loslager 12 und dem Festlager 11 angeordneten Telemetrieelektronik 7 und eine lange Lebensdauer der spielfreien Kegelverbindung 13c gewährleistet sind. Bei dem Tele- metrierotor 13 wird aufgrund der Kegelverbindung 13c zudem die Gefahr des Auftretens von Unwuchten nach dem Zusammenbauen der beiden Rotorteile 13a, 13b minimiert und bei der Rotation des Telemetrierotors 13 bleibt die Ke ¬ gelverbindung 13c geschlossen und verhindert somit im Be- trieb des Telemetriesystems Passungsverluste im Verbin ¬ dungsbereich . Das hintere Rotorteil 13a umfasst einen an dem Festlager 11 abgestützten rohrförmigen Abschnitt 13a' ' , an dessen Innenfläche die jeweilige Kabelführungshülse 15 anbring ¬ bar ist und von dessen Außenfläche ein Befestigungs- flansch 23 mit einem von dessen Rand abstrebendem, im
Querschnitt kegelförmigem Verbindungstück 13a' ausgeht. Das vordere Rotorteil 13b umfasst einen Rohrabschnitt 13b' ' , der über einen an dessen hinterem Rand angeformten Lagerflansch 25 am Loslager 12 abgestützt ist, und der an seinem dem kegelförmigen Verbindungsstück 13a' zugewandten vorderen Rand einen kegelförmigen Verbindungsabschnitt 13b' zur Herstellung der Hohlschaft-Kegelverbindung (13c) aufweist. Die Telemetrieelektronik 7 ist in dem zwischen dem rohrförmigen Abschnitt 13a' ' und dem zwischen dem Rohrabschnitt 13b' ' gebildeten nach vorn offenen Hohlraum 22 untergebracht.
Ein wesentlicher Vorteil des aus jeweils zwei Rotorteilen 10a, 10b über eine Kegelverbindung 13c zusammengesetzten, hohl ausgeführten Telemetrierotors 13 besteht darin, dass die Telemetrieelektronik 7 in den Telemetrierotor 13 einsetzbar ist und dennoch für eine Montage oder Demontage leicht zugänglich ist und der Massenschwerpunkt des mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Telemetrierotors 13 zwischen den Los- und Festlagern 12, 11 positioniert ist, um dadurch das rotordynamische Verhalten der rotierenden Teile der Telemetrieanordnung zu verbessern und auch bei hohen Drehzahlen und gegebenenfalls auftretenden Unwuch- ten eine gleichmäßige Lastverteilung und eine lange Le- bensdauer des Telemetriesystems zu gewährleisten.
In der Zeichnung ist der besseren Anschaulichkeit halber nur ein Sensorkabel 6 dargestellt. Tatsächlich ist jedoch eine Vielzahl von Sensorkabeln zur Weiterleitung der elektrischen Signale von einer Vielzahl von Sensoren zu der Telemetrieelektronik 7 erforderlich. In Abhängigkeit von dem zu untersuchenden Versuchsträger (rotierendes Bauteil 3) und der Art der Messung schwankt jedoch die Größe der durch einen zentralen Kabelkanal 24 des Tele- metrierotors 13 geführten Sensorkabelbündel, so dass er- hebliche, mit einer erhöhten Lagerbelastung und letztlich einer Verringerung der Lebensdauer des Telemetriesystems einhergehende Unwuchten bei der Rotation des Telemetrie- rotors 13 auftreten könnten. Dieser Gefahr wird hier jedoch dadurch begegnet, dass der Kabelkanal durch eine zentrisch in den Telemetrierotor 13 einsetzbare, austauschbare Kabelführungshülse 15 mit jeweils an die An ¬ zahl der in dieser geführten Sensorkabel 6 angepasstem - unterschiedlich großem - Innendurchmesser gebildet wird. Die bezüglich des Innendurchmessers variablen Kabelfüh- rungshülsen 15 sorgen für eine gleichbleibende zentrische Lage der Sensorkabel 6 in dem Telemetrierotor 13 und minimieren somit auf die Sensorkabel zurückgehende Unwuch ¬ ten . Die Telemetrieelektronik 7 (Transmittermodule) ist über
Steckverbinder 16 in den hohl ausgebildeten Telemetrierotor 13 eingebunden bzw. mit der Sendeantenne 8 verbunden, so dass auch dadurch eine einfache und zeitsparende Mon ¬ tage und Demontage der Telemetrieelektronik 7 möglich ist.
Das Telemetriegehäuse 10 weist an der Stirnseite des vor ¬ deren Gehäuseteils 10b eine mit einem Verschluss 17 ver ¬ schließbare Öffnung 18 auf, um den Zugang zu in der
Stirnseite des vorderen Rotorteils 13b des Telemetriero- tors 13 ausgebildeten - abgesetzten und mit einem Gewindeabschnitt 19a versehenen - Wuchtbohrungen 19 zu ermöglichen und gegebenenfalls vorhandene Unwuchten durch Ein ¬ schrauben von Wuchtgewichten zu beseitigen. Um die im Betrieb des Telemetriesystems zum einen durch die Fest- und Loslager 11, 12 und zum anderen durch die Luftbewegung und -Verdichtung infolge der Rotation des Telemetrierotors 13 erzeugte Wärme, die die Funktion der Lager und damit des Telemetriesystems entscheidend beein ¬ trächtigen kann, aus dem Telemetriegehäuse 10 abzuführen, sind in dem hinteren und vorderen Gehäuseteil 10a, 10b LuftZuführungskanäle 20 ausgebildet. Die zugeführte Kühl ¬ luft bewirkt eine Kühlung im Bereich des Fest- und des Loslagers 11, 12 und darüber hinaus eine Abführung der durch die Drehbewegung des Telemetrierotors 13 erwärmten Luft aus dem Inneren des Telemetriegehäuses 10 über in der Gehäusewand vorgesehene Luftauslassöffnungen 21.
Mit der zuvor beschriebenen, bei unterschiedlichen Rotoren am Wellenende anbringbaren, das heißt universell ein ¬ setzbaren Telemetrieanordnung, die sich durch ein geringes Gewicht und eine kompakte Bauweise sowie durch mini ¬ mierte Unwuchten, eine verringerte Lagerbelastung und Erwärmung und eine stabile Drehbewegung bei hohen Drehzahlen und letztlich durch eine lange Lebensdauer auszeichnet, kann eine Vielzahl unterschiedlicher Rotorparameter simultan erfasst werden.
Bezugszeichenliste
I Lager
2 Gehäuse
3 rotierendes Bauteil (Versuchsträger)
4 Rotorschaufel
5 Sensor
6 Sensorkabel
7 Telemetrieelektronik (Telemetrie-
/Transmittermodul )
8 rotierende Sendeantenne
9 stationäre Empfangsantenne
10 Telemetriegehäuse
10a hinterer Gehäuseteil
10b vorderer Gehäuseteil
10c Hohlschaft-Kegelverbindung von 10
II Festlager
12 Loslager
13 Telemetrierotor
13a hinterer Rotorteil
13a' kegelförmiges Verbindungsstück
13a' ' rohrförmiger Abschnitt
13b vorderer Rotorteil
13b' kegelförmiger Verbindungsabschnitt
13b' ' Rohrabschnitt
13c Hohlschaft-Kegelverbindung von 13
14 Verbindungswelle
15 austauschbare Kabelführungshülse 16 Steckverbinder
17 Verschluss
18 Öffnung in 10b
19 Wuchtbohrung in 13b, 25
19a Gewindeabschnitt
20 LuftZuführungskanal
21 Luftauslassöffnung 22 Hohlraum
23 Befestigungsflansch
24 Kabelkanal
25 Lagerflansch