WO2000036280A1 - Verfahren zum erkennen eines wellenbruches in einer strömungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum erkennen eines wellenbruches in einer strömungskraftmaschine Download PDF

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    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/09—Purpose of the control system to cope with emergencies

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a shaft break in a turbo engine with the aim of subsequently initiating a suitable speed-limiting measure, in particular a rapid fuel cut-off in an aircraft gas turbine system, with a torque-releasing turbine rotor and a torque-absorbing unit being monitored for breakage , essentially connected at the end in at least two roller bearings.
  • Speed-limiting devices for aircraft engines in the event of a shaft break between the energy-consuming part (e.g. the compressor) and the energy-generating part (e.g. the turbine runner) have been designed in a number of known inventions by a mechanical operating principle in such a way that there is an axial relative movement between the guide apparatus and the blades of the turbine runner come to create a collision between the nozzle and the blades. In this collision (also called “tangling”), the rotational energy of the turbine rotor is reduced until the turbine rotor comes to a standstill by means of deformation, friction and destruction of the turbine blades in question.
  • the patents US 4,505,104, US 4,503,667 and US 4,498 are for this principle of action. 291 mentioned as examples.
  • Another mechanical solution for limiting overspeed conditions in the event of a shaft break between the low-pressure turbine and the fan is used in aircraft engines with lower drive powers, the drive shaft between the fan and the low-pressure turbine being equipped with a reference shaft. If a shaft breaks, the broken drive shaft and the reference shaft change their position relative to each other. A pre-tensioned driver is released and gets caught in a wire loop. As a result of a resulting pulling movement on the wire loop as a result of the low-pressure turbine rotating, a rapid fuel cut-off is implemented via the cable pull.
  • a commercial disadvantage for a problem to be solved in this way is therefore the large number of systems used, which have to be re-adapted to the specific conditions of the respective aircraft engine.
  • a mechanical system with a reference shaft is at least subject to the partial loss of components when required, in addition to the fact that such a system means additional mass for the engine, which is of course undesirable in an aircraft engine.
  • the mass-cost ratio of mechanical solutions for realizing the required function of a safety shutdown in the event of a shaft break between the fan and the low-pressure turbine can be classified as disadvantageous from the point of view of the manufacturing costs and the operating costs. Electromechanical or electronic solutions have a clear advantage here from the point of view of the total costs.
  • the known electromechanical and electronic processes have hitherto been classified as technically unsuitable for aircraft engines with lower propulsion powers, since they do not react quickly enough in combustion fluid-flow engines with very small moments of inertia when required.
  • the required measurement period is too long in relation to the time that remains to recognize such a condition quickly enough in the event of a shaft break in smaller engines, to form the required actuating signal and to carry out the rapid shutdown.
  • the object of the present invention is to show an improved, in particular cost-effective and reliable method for detecting a shaft break in a turbo engine.
  • the solution to this problem is characterized in that the rotational frequencies of the two shaft ends in the roller bearings of the shaft to be monitored for breakage are determined continuously and essentially in real time and compared with one another, and in that at a higher rotational frequency than the rotational frequency at the roller bearing of the torque-absorbing unit a breakage of the shaft is concluded on the roller bearing on the turbine rotor side.
  • the present invention preferably relates to the problem of a shaft break between the fan as a torque-absorbing unit and the torque-releasing low-pressure turbine rotor of an aircraft engine or an aircraft gas turbine system and the required speed limitation of the low-pressure turbine rotor, but can be used analogously on any flow engine.
  • the aim is to use such a method and the associated device, which is based on an electromechanical / electronic design.
  • the rotational frequency of the respective shaft end in the respective rolling bearing is therefore to be determined on a shaft of a fluid-flow engine which is essentially mounted at the end in rolling bearings. If the rotational frequencies of the two shaft ends differ significantly from one another, there is obviously a shaft break, so that a suitable speed-limiting measure is then initiated.
  • Such a measuring method is characterized by the highest speed and an aviation safety that can be preferred
  • the rotation frequency of the roller bearing cage and / or the rollover frequency of the roller bearing outer ring and / or the rollover frequency of the roller bearing inner ring and / or the roller body rotation frequency is fixed in real time for both roller bearings via a filter unit and the rotational frequencies of the shaft ends mounted in the roller bearings can be determined separately
  • Figure 2 shows the geometry and the movement conditions on one
  • FIG. 4 finally shows the determination of the nominal pressure angle ⁇ 0 and the operating pressure angle ⁇ B for angular contact ball bearings.
  • f ⁇ denotes the rotational frequency of the respective shaft end in the roller bearing and z the number of rolling elements.
  • FIG. 5 shows a typical vibration spectrum for a rolling bearing with an acceleration sensor as a measuring signal sensor.
  • the aircraft engine shown in FIG. 6 consists of a high-pressure system 1 and a low-pressure system 2, which are equipped with shafts 3 and 4 for power transmission.
  • the two shafts 3, 4 are not mechanically connected to one another and thus rotate independently of one another.
  • the fan 2 consists of the fan 2a, the rotor of the booster stage 2b and the low-pressure turbine runner 2c, which are connected to one another via the shaft 3.
  • the high-pressure compressor runner 1a and the high-pressure turbine runner 1b are connected via the shaft 4
  • the low-pressure turbine rotor 2c is without load. The consequence of this would be an uncontrolled rapid growth the rotational speed of the low-pressure turbine runner 2c In the worst case, the maximum permissible rotational speed for the low-pressure turbine runner 2c could then be exceeded within a short time.As a result of the centrifugal overload and the insufficient strength, it could possibly be destroyed by sudden exploding of the low-pressure turbine runner 2c come
  • the shaft 3 is supported on the side of the torque-absorbing unit in the form of the fan 2a and the booster stage 2b via a roller bearing 6 designed as a deep groove ball bearing.
  • a roller bearing 6 designed as a deep groove ball bearing.
  • the shaft 3 is supported by a roller bearing 7 with cylindrical roller bodies.
  • Two measuring signal sensors 8a and 8b in the form of acceleration sensors are coupled to the roller bearing 6 on the fan side.
  • Two such measuring signal sensors 9a and 9b designed as acceleration sensors are also provided on the roller bearing 7 on the turbine rotor side.
  • the redundant arrangement of the accelerometers on the roller bearings 6, 7 is provided in particular for reasons of improved functional reliability.
  • a second accelerometer is provided which provides a measurement signal.
  • a separate measuring channel of identical design is provided for each of the two roller bearings 6 and 7. Since only a single measurement signal is required per roller bearing 6 or 7, the two measurement signal recorders 8a and 8b are connected to an OR gate 10. In an analogous manner, an OR gate 11 is responsible for the measurement signal pickups 9a and 9b.
  • OR gates 10 and 1 1 each leave a periodic measurement signal in the time domain, which is assigned to the respective roller bearings 6 and 7.
  • t denotes a point in time and "T” the period of the periodic function.
  • the measured value functions which have undergone a significant data reduction without loss of information, pass through the filters 14 and 15.
  • These filters 14, 15 are designed such that they can only pass a frequency band from 0 Hz to the maximum frequency which can be followed Equation (C) given above (in connection with FIGS. 2-4), which represents the rollover frequency of the inner race of the rolling bearing, is determined.
  • the value f n in this equation (C) corresponds to the maximum permissible rotational frequency of the low-pressure turbine rotor 2c.
  • the filtering mentioned takes place almost instantaneously under real-time conditions.
  • the preprocessed and filtered measurement result is then made available to the arithmetic processors 16 and 17.
  • Both arithmetic processors 16 and 17 operate independently of one another and have a data processing speed that meets real-time requirements.
  • the arithmetic processors 16 and 17 can be used to determine the following values for the roller bearings 6 and 7, namely by means of calculation methods (not described in more detail) from the amplitude spectra provided
  • arithmetic processors 16 and 17 calculate according to equations (A) to (D) given above each separately the rotational frequency fm on the roller bearing 6 and the rotational frequency f n2 on the roller bearing 7, the rotational frequency f n1 corresponds to that of the torque-absorbing unit or fan s 2a and the rotational frequency f n2 to that of the low-pressure turbine runner 2c
  • the measurement signal to be a high safety standard redundancy and accuracy of the measurement information on the basis of the normal distribution of the measurement error of statistical measurement processes can regard the arithmetic processors 16 and 17 carry out a comparison of the rotational frequencies determined according to equations (A) to (D) for the roller bearings, a predefined spreading width not being allowed to be exceeded
  • the Gaussian method of the smallest squares of errors is preferably used to determine the effective values f "and f n2 and the standard deviations O T and ⁇ 2 of the measurement results, which are then used as a basis for a subsequent evaluation.
  • the Rotation frequency information in the form ⁇ f n ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ and ⁇ f n2 ⁇ ⁇ 2 ⁇
  • the inflow to the fuel ring line 19 is equipped with a fuel quick-closing valve 20.
  • This fuel quick-closing valve 20, which is not shown with an electromagnetic actuator 22, is always kept closed by means of a spring 21 in the electrically non-energized state

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Wellenbruches in einer Strömungskraftmaschine mit dem Ziel, danach eine geeignete drehzahlbegenzende Massnahme, insbesondere eine Brennstoffschnellabschaltung bei einer Flug-Gasturbinenanlage, einzuleiten, wobei ein drehmomentabgebender Turbinenläufer und ein drehmomentaufnehmendes Aggregat über die hinsichtlich eines Bruches zu überwachende, endseitig in zumindest zwei Wälzlagern (6, 7) gelagerte Welle (3) miteinander verbunden sind. Dabei werden die Drehfrequenzen (f>n1<, f>n2<) der beiden Wellenenden in den Wälzlagern (6, 7) der Welle (3) kontinuierlich und im wesentlichen in Echtzeit ermittelt und miteinander verglichen, wobei bei einer gegenüber der Drehfrequenz (f>n1<) am Wälzlager (6) des drehmomentaufnehmenden Aggregates höheren Drehfrequenz (f>n2<) am turbinenläuferseitigen Wälzlager (7) auf einen Bruch der Welle (3) geschlossen wird. Bevorzugt erfolgt mittels Fast-Fourier-Transmission und eines Arithmetik-Prozessors für beide Wälzlager (6, 7) über getrennte Messkanäle die Bestimmung der Drehfrequenz des jeweiligen Wellenendes unter Rückgriff auf eine oder mehrere typische Wälzlagerfrequenzen, die von diesen Wälzlagern bei deren Rotation emittiert werden.

Description

Verfahren zum Erkennen eines Wellenbruches in einer Strömungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Wellenbruches in einer Strömungskraftmaschine mit dem Ziel, danach eine geeignete drehzahl- bregenzende Maßnahme, insbesondere eine Brennstoffschnellabschaltung bei einer Flug-Gasturbinenanlage, einzuleiten, wobei ein drehmomentabgebender Turbinenläufer und ein drehmomentaufnehmendes Aggreggat über die hinsichtlich eines Bruches zu überwachende, im wesentlichen endseitig in zumindest zwei Wälzlagern gelagerte Welle miteinander verbunden sind.
Insbesondere für Flugtriebwerke, aber auch für Industriegasturbinen zur Energieerzeugung sind eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen bekannt geworden, die alle den Zweck verfolgen, daß sie wirksam eine Drehzahlbegrenzung bei nicht mehr erfolgender Lastabnahme durch das drehmomentaufnehmende Aggregat gewährleisten. Ziel ist es, ein unkontrolliertes Anwachsen der Drehzahl bis zur Selbstzerstörung der Strömungskraftmaschine, insbesondere Verbrennungs- Strömungskraftmaschine, zu unterbinden und Gefährdungen für Menschen und Sachwerte auszuschließen. Derartig kritische Betriebszustände können sich z. B. bei Energieerzeugungsanlagen in Kraftwerken mit Verbrennungs-Strömungs- kraftmaschinen bei einer unkontrollierten Trennung zwischen dem Generator und dem elektrischen Landesnetz (Lastabwurf) einstellen. Ebenso kann ein Bruch der Welle zwischen dem energieabgebenden System, d.h. dem Turbinenläufer und dem energieaufnehmenden System, insbesondere einem Verdichter, zu einem unkontrollierten Drehzahlanstieg des erstgenannten führen. Im Fall eines Flugtriebwerkes bzw. einer Flug-Gasturbinenanlage kann ein solches energieaufnehmendes bzw. drehmomentaufnehmendes System der Fan sein.
Drehzahlbegrenzende Einrichtungen für Flugtriebwerke für den Fall eines Wellenbruches zwischen dem energiekonsumierenden Teil (z.B. dem Verdichter) und dem energieerzeugenden Teil (z.B. dem Turbinenläufer) wurden in einer Reihe von bekannten Erfindungen durch ein mechanisches Wirkprinzip derart gestaltet, daß es zu einer axialen Relativbewegung zwischen dem Leitapparat und den Laufschaufeln des Turbinenläufers dergestalt kommt, daß eine Kollision zwischen dem Leitapparat und den Laufschaufeln erzeugt wird. Bei dieser Kollision (auch „Tangling" genannt) wird die Rotationsenergie des Turbinenläufers bis zum Stillstand des Turbinenläufers durch Verformung, Reibung und Zerstörung der betroffenen Turbinenbeschaufelung abgebaut. Für dieses Wirkprinzip seien die Patentschriften US 4.505.104, US 4.503.667 und US 4.498.291 als Beispiele genannt.
Eine weitere mechanische Lösung zur Begrenzung von Uberdrehzahlzuständen bei einem Wellenbruch zwischen der Niederdruckturbine und dem Fan wird bei Flugtriebwerken mit kleineren Antriebsleistungen angewendet, wobei die Antriebswelle zwischen dem Fan und der Niederdruckturbine mit einer Referenzwelle ausgestattet ist. Kommt es zu einem Wellenbruch, so verändern die gebrochene Antriebswelle und die Referenzwelle ihre Position zueinander. Ein vorgespannter Mitnehmer wird freigegeben und verhakt sich in einer Drahtschlinge. Durch eine resultierende Zugbewegung an der Drahtschlinge infolge der sich weiterdrehenden Niederdruckturbine wird über den Seilzug eine Brennstoffschnellabschaltung realisiert.
Hinsichtlich einer elektronischen Lösung der Überdrehzahlproblematik wurde für eine Dampfturbine eine Schaltung in der US 4.474.013 veröffentlicht. Dort werden bis zu vier Geschwindigkeitssensoren verwendet, die redundant arbeiten und zu einer Zahnradwelle angeordnet sind. Die resultierenden Signale der Geschwindigkeits- sensoren sind proportional zur Drehzahl der Zahnradweile Ein entsprechend gestaltetes elektronisches Meßdatensystem ist in der Lage, das Geschwindigkeits- signal zu differenzieren und eine Ableitung in Form der Beschleunigung zu bilden Bei einer vorausbestimmten Uberdrehzahlsituation durch Verarbeitung der ermittelten Beschieunigungswerte und bei Überschreitung einer Drehzahlschwelle wird auf die in Reihe geschalteten Fπschdampfventile (ein Stop-Ventil und ein Regelventil) eingewirkt
Eine weitere elektronische Losung des Uberdrehzahlproblemes für eine Flug- Gasturbinenanlage ist in der US 4 712 372 dargelegt An der gezahnten Turbinen- welle sind zwei Sensoren angeordnet, die ein der Zahneanzahl der Welle drehzahlproportionales Signal erzeugen Beide Sensoren arbeiten zueinander redundant, wobei ein Kanal analog und der zweite eine digitale Signalverarbeitung und Signal- weiterleitung realsiert Im Fall einer von beiden Sensoren festgestellten Uberdrehzahl-situation wird ein magnetisch gesteuertes Kraftstoffventil angesteuert und die Kraftstoffverstoffversorgung unterbrochen
Ebenso bekannt geworden ist durch die US 4 635 209 eine elektronische Losung zur Steuerung von Uberdrehzahlzuständen, die eine Dampfturbine betreffen Dabei wird das Meßprinzip ebenfalls auf ein gepulstes Meßsignal aufgebaut, das an einer Zahnwelle erzeugt wird Zur Verbesserung der Meßwertgenauigkeit werden drei voneinander unabhängige Meßkanale an der gleichen Meßstelle eingesetzt Einer der drei Meßkanale arbeitet mit einer Uberwachungsfunktion Jeder der Meßkanale kommuniziert über einen programmierbaren Computer
Die bereits bekannten und veröffentlichten Systeme zur Überwachung und Begrenzung von Uberdrehzahlzuständen unterteilen sich somit in mechanische und elektromechanische/elektronische Systeme
Ein kommerzieller Nachteil für ein dergestalt zu losendes Problem besteht daher in der Vielzahl der verwendeten Systeme, die an die konkreten Bedingungen des jeweiligen Flugtriebwerkes auslegungsseitig neu angepaßt werden müssen Bei Flugtriebwerken, die nach dem Tang ng-Pπnzip einen Wellenbruch zwischen Fan und Niederdruckturbine sicher abfangen, ist stets mit dem Totalverlust der Beschaufelung bei entspreched hohen Wiederbeschaffungskosten zu rechnen. Ein mechanisches System mit einer Referenzwelle ist im Anforderungsfall zumindest dem teilweisen Verlust von Komponenten unterworfen, neben dem Umstand, daß ein solches System zusätzliche Masse für das Triebwerk bedeutet, was bei einem Flugtriebwerk selbstverständlich unerwünscht ist.
Das Masse-Kostenverhältnis mechanischer Lösungen zur Realisierung der geforderten Funktion einer Sicherheitsabschaltung bei einem Wellenbruch zwischen Fan und Niederdruckturbine ist aus Sicht der Herstellkosten und der Betriebskosten als nachteilig einzustufen. Elekromechanische oder elektronische Lösungen sind aus dem Blickwinkel der Gesamtkosten hier klar im Vorteil.
Bisherig bekannt gewordene elektromechanische und elektronische Lösungsvorschläge wurden bislang nur zur Überwachung einer Soll-Drehzahl von Rotoren verwendet. Wellenbrüche können mit derartigen Systemen bisher nicht erkannt werden. Insbesondere Flug-Gasturbinen größerer Leistungsklassen und Turbinen von industriellen Energierzeugungsanlagen, bei denen der Leichtbau keine Rolle spielt, verfügen über ein ausreichend hohes Trägheitsmoment, sodaß genügend Zeit verbleibt, um mit konventionellen elektromechanischen und elektronischen Methoden (Drehzahlmeßverfahren und Stellglieder) bei entsprechend großen Tot- und Verzugszeiten einer Überdrehzahl entgegenzusteuern. Derartig angewendete Drehzahlmeßverfahren beruhen auf der Aufsummierung diskreter Einzelimpulse über einen Meßzeitraum. Für Flugtriebwerke kleinerer Antriebsleistungen wurden die bekannten elektromechanischen und elektronischen Verfahren bisher als technisch ungeeignet eingestuft, da sie in Verbrennungs-Strömungskraftmaschinen mit sehr kleinen Trägheitsmomenten im Anforderungsfall nicht schnell genug reagieren. Der erforderliche Meßzeitraum ist zu groß im Verhältnis zur Zeit, die verbleibt, um bei einem Wellenbruch bei kleineren Triebwerken schnell genug einen solchen Zustand zu erkennen, das erforderliche Stellsignal zu bilden und die Schnellabschaltung auszuführen.
Bisher bekannt gewordene Meßeinrichtungen für die Drehzahl und deren abgeleitete Größen, wie Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung, besitzen weiterhin eine zu geringe Empfindlichkeit bzw. Meßauflösung, so daß ein verwertbares Meßsignal nicht schnell genug für die Auslösung einer Schnellabschaltung und Drehzahlbegrenzung bereitgestellt werden kann.
Ein demgegenüber verbessertes, insbesondere kostengünstiges und sicheres Verfahren zum Erkennen eines Wellenbruches in einer Strömungskraftmaschine aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfrequenzen der beiden Wellenenden in den Wälzlagern der hinsichtlich eines Bruches zu überwachenden Welle kontinuierlich und im wesentlichen in Echtzeit ermittelt und miteinander verglichen werden, und daß bei einer gegenüber der Drehfrequenz am Wälzlager des drehmomentaufnehmenden Aggregates höheren Drehfrequenz am turbinenläuferseitigen Wälzlager auf einen Bruch der Welle geschlossen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche, insbesondere sind hierin auch vorteilhafte Merkmale einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise das Problem eines Wellenbruches zwischen dem Fan als drehmomentaufnehmendem Aggragat und dem drehmomentabgebenden Niederdruck-Turbinenläufer eines Flugtriebwerkes bzw. einer Flug-Gasturbinenanlage und die erforderliche Drehzahlbegrenzung des Niederdruck-Turbinenläufers, ist jedoch analog an jeder beliebigen Strömungskraftmaschine einsetzbar. Dabei ist es Ziel, ein solches Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung zu verwenden, das auf einer elektromechanischen/ elektronischen Ausführung basiert.
Erfindungsgemäß soll daher an einer Welle einer Strömungskraftmaschine, die im wesentlichen jeweils endseitig in Wälzlagern gelagert ist, die Drehfrequenz des jeweiligen Wellenendes im jeweiligen Wälzlager bestimmt werden. Unterscheiden sich die Drehfrequenzen der beiden Wellenenden signifikant voneinander, so liegt offensichtlich ein Wellenbruch vor, so daß daraufhin eine geeignete drehzahlbegrenzende Maßnahme eingeleitet wird.
Zwar erscheint dieser Vorschlag auf den ersten Blick relativ einfach, jedoch sind die Anforderungen an die Meßtechnik und an die zugehörige Auswerteelektronik äußerst hoch, um die erforderliche Sicherheit bspw für das Flugtriebwerk zu gewährleisten Der gesamte Drehfrequenz-Ermittlungsprozess muß nam ch äußerst schnell ablaufen, d h die Ermittlung der Drehfrequenzen und die weitere Auswertung sollte in Echtzeit erfolgen, um möglichst kurzfristig auf einen so festgestellten Wellenbruch reagieren zu können Daher ist bevorzugt für jedes Walzlager ein getrennt funktionierender Meßkanal zur Bestimmung der Drehfrequenz des jeweiligen Wellenendes in den Wälzlagern vorhanden, wobei die beiden Meßkanale in einem Komperator zwecks Vergleiches der Drehfrequenzen zusammengeführt werden, und wobei die Meßsignalgewinnung, deren Weiterleitung und Verarbeitung bis hin zum Vergleich beider Drehfrequenzen im Echtzeitbereich ablauft Ebenso in Echtzeit kann dann eine elektrische Stellgroße gebildet werden, die bei einer signifikanten Abweichung zwischen den beiden Drehfrequenzen unverzüglich die geeignete drehzahlbegrenzende Maßnahme einleitet, so beispielsweise ein Brennstoffschnellschlußventil schließt
Nun bestehen verschiedene Möglichkeiten zur Ermittlung der Drehfrequenzen der Wellenenden in ihren Wälzlagern, wobei jedoch gangige Drehzahlsensoren zumeist zu langsam arbeiten, als daß der gesamte Prozeß in Echtzeit durchgeführt werden konnte Daher kann mittels eines Arithmetik-Prozessors und unter Verwendung ei- ner Fast-Fouπer-Transmission für beide Walzlager über getrennte Meßkanale die Bestimmung der Drehfrequenz des jeweiligen Wellenendes unter Ruckgriff auf eine oder mehrere typische Walziagerfrequenzen erfolgen, die von diesen Walzlagern bei deren Rotation emittiert werden Ein solches Meßverfahren zeichnet sich durch höchste Schnelligkeit und eine der Luftfahrt adäquate Sicherheit aus Bevorzugt können hierzu über eine Filteremheit echtzeitgerecht für beide Walzlager die Rotationsfrequenz des Walzlager-Kafigs und/oder die Uberrollfrequenz des Walzlager- Außenrings und/oder die Uberrollfrequenz des Walzlager-Innenrings und/oder die Walzkorperrotationsfrequenz festgestellt und hieraus die Drehfrequenzen der in den Walzlagern gelagerten Wellenenden getrennt bestimmt werden
Ehe dieses Verfahren anhand eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels naher erläutert wird sollen jedoch zunächst die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, auf denen das verwendete Meßprinzip beruht, beschrieben werden Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, daß sich die kraftubertragende Welle zwischen dem Fan und dem Niederdruck-Turbinenlaufer im wesentlichen an den beiden Wellenenden auf Walzlagern abstutzt Die Rollbewegungen der Walzkorper im Walzlagerkafig erzeugen auf deren Laufflachen periodische Druckkräfte Infolge der hervorgerufenen Deformationen entstehen periodische Schwingungen Imperfektionen (z B Pitting-Bildung) an den überrollten Flachen wirken vorteilhafterweise verstärkend auf die auftretenden Schwingungen
Für Walzlager wurden von Sturm, A et al in „Walzlagerdiagnose an Maschinen und Anlagen", veröffentlicht vom Verlag TUV Rheinland GmbH 1986 in Köln, die Zusammenhange zwischen der Lagergeometrie und den typischen Emissionsfrequenzen eines Walzlagers wie im Folgenden wiedergegeben dargestellt Dabei wird auf die beigefugten Figuren 2 bis 4 verwiesen, die der genannten Literaturstelle entnommen sind
Figur 2 zeigt die Geometrie und die Bewegungsverhaltnisse an einem
Schragkugellager unter Verwendung folgender Bezugsziffern bzw Bezeichnungen
1 = Außenring, 2 = Kugel, 3 = Innenring vA = Umfangsgeschwindigkeit des Berührungspunktes A KA, VW = Umfangsgeschwindigkeit des Walzkorpermittelpunktes W
V| = Umfangsgeschwindigkeit des Berührungspunktes I
V|R = Umfangsgeschwindigkeit der Innenπngwalzflache
COIR = Winkelgeschwindigkeit des Innenringes αB = Druckwinkel n = Drehzahl
In Figur 3 sind die Krümmungsradien eines Rillenkugellagers mit folgenden Bezeichnungen dargestellt ra = Krümmungsradius der Außenringwalzbahn r, = Krümmungsradius der Innenπngwalzbahn r0 = Abstand der Krummungsmittelpunkte Dw = Durchmesser des Walzkorpers Figur 4 schließlich gibt die Bestimmung des Nenndruckwinkels α0 und des Betriebsdruckwinkels αB für Schrägkugelager wieder.
Damit ergeben sich für Wälzlager die folgenden in Form von Gleichungen (A) bis (E) angegebenen charakteristischen Frequenzen für den Fall des idealen Rollens:
(A): Rotationsfrequenz des Käfigs: ßKA = — ß 1 - cos a
Dτ
(B): Uberrollfrequenz des Außenringes: fi = -^fi - z - \ 1 cos a
D,.
(C): Uberrollfrequenz des Innenringes: ß - — ß - z cos a
Zλ.
(D): Wälzkörperrotationsfrequenz: fwA =
Figure imgf000010_0001
(E): Überrollfrequenz einer Kugelunregelmäßigkeit auf beiden Wälzbahnen:
Figure imgf000010_0002
Dabei wird in den Gleichungen (A) bis (E) mit fπ die Drehfrequenz des jeweiligen Wellenendes im Wälzlager und mit z die Wälzkörperanzahl bezeichnet. Für ein Rillenkugellager mit radialer und axialer Belastung gilt für den sog. Betriebsdruckwinkel B gemäß Figuren 3 und 4 der folgende Zusammenhang:
Figure imgf000010_0003
Im Übrigen genügen Wälzlager ohne axiale Belastung ebenfalls den Gleichungen (A) bis (E), wobei α B = 90° gilt.
Weitere Bestandteile des Schwingungsspektrums können auch durch Anregungen außerhalb des Wälzlagers hervorgerufen werden. Als permanente konstante Resonanzen bilden sich die Geber- und die Koppelresonanz ab. Ein typisches Schwingungsspektrum für ein Wälzlager mit einem Beschleunigungsaufnehmer als Meßsignalaufnehmer zeigt Figur 5. Die nähere Beschreibung der Erfindung erfogt nun anhand eines bevorzugten Aus- fuhrungsbeispiels an einem zweiwelligen Flugtriebwerk bzw an einer grundsätzlich üblichen Zweiwellen-Flug-Gasturbinenanlage, die stark vereinfacht in Fig 6 dargestellt ist
Das in Fig 6 dargestellte Flugtriebwerk besteht aus einem Hochdrucksystem 1 und einem Niederdrucksystem 2, die mit Wellen 3 und 4 zur Kraftübertragung ausgestattet sind Die beiden Wellen 3, 4 sind mechanisch nicht miteinander verbunden und drehen sich somit unabhängig voneinander Das Niederdrucksystem
2 besteht aus dem Fan 2a, dem Rotor der Boosterstufe 2b und dem Niederdruck- Turbinenlaufer 2c, die über die Welle 3 miteinander verbunden sind Über die Welle 4 hingegen sind der Hochdruckkompressorlaufer 1 a und der Hochdruck-Turbinenlaufer 1 b miteinander verbunden
Kommt es - was in der Praxis jeodch äußerst unwahrscheinlich ist - aufgrund von Uberbeanspruchung infolge eines äußeren Ereignisses wie Vogelschlag, Werkstoffermudung oder anderer Ursachen zu einem Bruch der Welle 3, so ist der Niederdruck-Turbinenlaufer 2c ohne Last Die Folge hiervon wäre ein unkontrolliert schnelles Anwachsen der Drehzahl des Niederdruck-Turbinenlaufers 2c Ungunszigstenfalls konnte dann innerhalb kurzer Zeit die maximal zulassige Drehzahl für den Niederdruck-Turbinenlaufer 2c überschritten werden Infolge der zentrifugalen Uberbeanspruchung und der nicht mehr ausreichenden Festigkeit konnte es dann möglicherweise zu einer Zerstörung durch plötzliches Explodieren des Niederdruck- Turbinenlaufers 2c kommen
Diese Probleme können dadurch vermieden werden, daß bei einem Bruch der Welle
3 eine unmittelbare, nahezu verzogerungsfreie Brennstoffschnellabschaltung initiiert wird, um hierdurch der Niederdruckturbine 2c keine weitere Energie zuzuführen Infolge der inneren Reibungsvorgange im Flugtriebwerk wird der Niederdruck- Turbinenlaufer 2c bis hin zum Stillstand abgebremst Das dazu vorgeschlagene Verfahren und die dazu notwendige Vorrichtung ist der Figur 1 zu entnehmen, worin nochmals das Flugtriebwerk sowie in einem vereinfachten Flußdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen eines Wellenbruches und zur bejahendenfalls durchzuführenden Brennstoffschnellabschaltung dargestellt ist.
Wie ersichtlich, ist die Welle 3 auf der Seite des drehmomentaufnehmenden Aggregates in Form des Fans 2a und der Boosterstufe 2b über ein als Rillenkugellager ausgebildetes Wälzlager 6 gelagert. Auf der Seite des drehmomentabgebenden Niederdruck-Turbinenläufers 2c ist die Welle 3 über ein Wälzlager 7 mit zylindrischen Wälzkörpern gelagert.
Am fanseitigen Wälzlager 6 sind zwei Meßsignalaufnehmer 8a und 8b in Form von Beschleunigungsaufnehmern angekoppelt. Auch am turbinenläuferseitigen Wälzlager 7 sind zwei derartige als Beschleunigungsaufnehmer ausgebildete Meßsignalaufnehmer 9a und 9b vorgesehen. Dabei ist insbesondere aus Gründen einer verbesserten Funktionszuverlässigkeit die genannte redundante Anordnung der Beschleunigungsaufnehmer an den Wälzlagern 6, 7 vorgesehen. Somit ist bei Ausfall eines einzelnen Beschleunigungsaufnehmers 8a oder 8b bzw. 9a oder 9b ein zweiter solcher vorhanden, der ein Meßsignal bereitstellt.
Für die beiden Wälzlager 6 und 7 ist jeweils ein separater Meßkanal in identischer Ausführung vorgesehen. Da nur ein einziges Meßsignal pro Wälzlager 6 bzw. 7 benötigt wird, werden die beiden Meßsignalaufnehmer 8a und 8b auf ein ODER- Glied 10 aufgeschaltet. In analoger Weise ist für die Meßsignalaufnehmer 9a und 9b ein ODER-Glied 11 zuständig.
Diese ODER-Glieder 10 und 1 1 verläßt jeweils ein komptexperiodisches Meßsignal im Zeitbereich, das den jeweiligen Wälzlagern 6 und 7 zuzuordnen ist. Mittels einer Fast-Fourier-Transmission (wie üblich "FFT" genannt) werden anschließend die anstehenden Signalfunktionen {f(t) = f ( t + nT ), n = 0; 1 ; 2 ...} vom Zeitbereich in den Frequenzbereich gewandelt. Wie üblich bezeichnet dabei "t" einen Zeitpunkt und "T" die Periodendauer der periodischen Funktion.
Die Grundgleichungen für ein fouriertransformiertes komplexperiodisches Meßsignal sind dem entsprechenden Fachmann bekannt und werden daher hier nicht wiedergegeben. Erwähnt sei lediglich, daß die Fouriertansformation durch die FFT- Prozessoren 12 und 13 vorgenommen wird. Die Fourier-transformierte Meßfunktion liegt nun in Form der Frequenzdarstellung vor. Würde hingegen die Berechnung als diskrete Fourier-Transformation erfolgen, so läge der Rechenaufwand nicht mehr im echtzeitfähigen Bereich. Daher verwendet man Rekursionsformeln, die den Rechenaufwand um den Faktor 103 verkürzen. Ausgereifte Verfahren für diese Fast-Fourier-Transmission stehen in unterschiedlichen Versionen zur Verfügung. Durch die FFT-Prozessoren 12 und 13 wird diese Aufgabe echtzeitgerecht abgewickelt.
Anschließend passieren die so aufbereiten Meßwertfunktionen, die eine erhebliche Datenreduktion ohne Informationsverlust erfahren haben, die Filter 14 und 15. Dabei sind diese Filter 14, 15 so ausgelegt, daß sie nur ein Frequenzband von 0 Hz bis zur maximalen Frequenz passieren lassen, die sich nach der weiter oben (in Zusammenhang mit den Figuren 2 - 4) angegebenen Gleichung (C), die die Überrollfrequenz des Wälzlager-Innenringes wiedergibt, ermittelt. Dabei entspricht der Wert fn in dieser Gleichung (C) der maximal zuläsigen Drehfrequenz des Niederdruck-Turbinenläufers 2c. Die genannte Filterung erfolgt dabei nahezu verzögerungsfrei unter Echtzeitbedingungen.
Das vorverarbeitete und gefilterte Meßwertergebnis wird dann den Arithmetikprozessoren 16 und 17 zur Verfügung gestellt. Beide Arithmetikprozessoren 16 und 17 arbeiten unabhängig voneinander und haben eine Datenverarbeitungsgeschwindigkeit, die Echtzeitanforderungen gerecht wird. Durch die Arithmetikprozessoren 16 und 17 können durch nicht näher beschriebene Berechnungsverfahren aus den zur Verfügung gestellten Amplitudenspektren jeweils für die Wälzlager 6 und 7 die folgenden Werte ermittelt werden, nämlich
• die Rotationsfrequenz des Käfigs,
• die Überrollfrequenz des Außenringes,
• die Überrollfrequenz des Innenringes und • die Wälzkörperrotationsfrequenz.
Aus diesen voranstehend aufgelisteten Frequenzen errechnen die Arithmetikprozessoren 16 und 17 nach den weiter oben angegebenen Gleichungen (A) bis (D) jeweils gesondert die Drehfrequenz fm am Walzlager 6 sowie die Drehfrequenz fn2 am Walzlager 7 Dabei entspricht die Drehfrequenz fn1 derjenigen des drehmomentaufnehmenden Aggregates bzw Fan s 2a und die Drehfrequenz fn2 derjenigen des Niederdruck-Turbinenlaufers 2c
Aufgrund der Physik des Meßprozesses handelt es sich hierbei um vier zueinander redundante Frequenzinformationen, die alle auf die sog Anregungsfrequenz fn zurückgeführt werden können Somit weist das Meßsignal an sich einen hohen Sicherheitsstandard hinsichtlich Redundanz und Genauigkeit der Meßinformation auf Aufgrund der Normalverteilung des Meßfehlers statistischer Meßprozesse können die Arithmetikprozessoren 16 und 17 einem Vergleich der nach den Gleichungen (A) bis (D) bestimmten Drehfrequenzen für die Walzlager durchfuhren, wobei eine vorher definierte Streubreite nicht überschritten werden darf
Bevorzugt wird die Gauß'sche Methode der kleinsten Fehlerquadrate zur Bestimmung der Effektivwerte f„ι und fn2 und der Standardabweichungen OT und σ2 der Meßergebnisse angewandt, die dann für eine anschließende Bewertung zugrunde gelegt werden Damit liegt für beide Walzlager 6, 7 die Drehfrequenzinformation in der Form { fnι ± σ^ } und { fn2 ± σ2 } vor
Diese beiden Informationen werden daraufhin zur Bewertung einem Komperator 18 zugeführt, der ebenfalls echtzeitfahig ist Dabei ist es nicht erheblich, ob der Vergleich beider Drehfrequenzen fn1, fn2, mittels Hardware oder/und Software realisiert wird Wesentlich ist nur die echtzeitgerechte Verarbeitung der Informationen Im Ergebnis des Vergleiches werden die Drehfrequenzen {fnι ± σi } und {fn2 ± σ2} als gleich bewertet, wenn eine Überlappung der Meßverteilungen in den nachfolgend beschriebenen Grenzen festgestellt wird
Die Falle {fn1 + σi} = {fP2 - σ2} und {fn2 + σ2} = {fnι - σi } gelten dabei als Grenzfalle der Übereinstimmung
Liegt nun gemäß den vorangestellten Bedingungen eine Übereinstimmung der Drehfrequenz fnι des Fan's 2a und der Drehfrequenz fn2 des Turbmenlaufers 2c vor, so besteht keine Veranlassung, eine geeignete drehzahlbegrenzende Maßnahme, insbesondere eine Schnellabschaltung bezüglich des der Brennkammer 23 des Flugtriebwerkes zugefuhrten Brennstoffes vorzunehmen
Sollte allerdings der Vergleich ergeben, daß {fn1 + σ^ kleiner als (<) {fn2 - σ2} ist, so kann davon ausgegangen werden, daß ein Bruch der Welle 3 stattgefunden hat Dieser Zustand erfordert dann die Einleitung einer drehzahlbegrenzenden Maßnahme, insbesondere die Sicherheitsschnellabschaltung der Brennstoffzufuhr, die mittels einer Bennnstoff-Ringleitung 19 erfolgt
Dabei ist der Zufluß zu der Brenπstoff-Ringleitung 19 mit einem Kraftstoff- Schnellschlußventil 20 ausgerüstet Dieses mit einem nicht naher dargestellten elektromagnetischen Stellantrieb 22 versehene Kraftstoff-Schnellschlußventil 20 wird mittels einer Feder 21 im elektrisch spaπnungslosen Zustand stets geschlossen gehalten
Bei einer Übereinstimmung der Drehfrequenzen fn1 , fn2 bzw {fn1 + σi}, {fn2 - σ2} der an beiden Walzlagern 6 und 7 wird somit das Kraftstoff-Schnellschlußventil 20 unter elektrischer Spannung gehalten und ist im geöffneten Zustand
Tritt jedoch der Fall fnι < fn2 bzw {fn1 + σ^ < {fn2 - σ2} ein, so wird ein Stellsignal durch den Komperator 18 gebildet, das umgehend und ohne Verzögerung den spannungstosen Zustand am Magnet-Stellantrieb 22 herstellt Das Kraftstoff- Schnellschlußventil 20 schließt dann augenblicklich unter der Wirkung der Vorspannkraft der Feder 21 Resultierend erloscht der Verbrennungsprozeß in der Brennkammer 23, nachdem dann kein weiterer Brennstoff zugeführt wird Über interne Reibungsvorgange wird der Niederdruck-Turbinenlaufer 2c daraufhin an einem weiteren unkontrollierten Anstieg seiner Drehzahl gehindert und bis zum Stillstand abgebremst
Mit dem beschriebenen Verfahren ist es somit möglich, die Verzogerungszeit von elektronischen/elektrischen Systemen zur Drehzahlbegrenzung einer Stromungs- kraftmaschine derart zu verringern, daß sie auch für solche und insbesondere für Flug-Gasturbinenanlagen mit geringen Trägheitsmomenten eingesetzt werden können Eine Ansprechverzogerung für die Drehzahlbegrenzung und Sicherheits- schnellabschaitung in Hohe vergleichbarer direkt wirkender mechanischer Systeme für Flugtriebwerke schafft die Voraussetzung für folgende Vorteile
• signifikant geringerer Masseeinsatz bei den Bauteilen zur Sicherung der Funktion Drehzahlbegrenzung/Sicherheitsschnellabschaltung bei Wellenbruch zwi- sehen Fan und Niederdruckturbine,
• aufgrund der Masseneinsparung ergeben sich geringere Betriebskosten für Flugtriebwerke,
• besseres Masse-Kostenverhattnis im Vergleich zu mechanisch wirkenden Drehzahlbegrenzungseinrichtungen/Sicherheitsschnellabschaltung, • Sichersteilung der Funktion ohne unnötige Zerstörung von Bauteilen und Baugruppen zum Aufbau der Zwangskrafte zum Abbremsen und zum Abbau der überschüssigen Rotationsenergie,
• kostengünstiger realisierbar als bestehende mechanische Losungen,
• Anwendung des Kommonahtatskonzeptes für Hersteller von Triebwerksfamilien • keine sicherheitsbedingten Kompromisse hinsichtlich der Aerodynamik von
Turbinenbeschaufelungen,
• geringere Betriebskosten aufgrund des besseren spezifischen Brennstoffverbrauches bei optimal aerodynamisch gestalteter Beschaufelung der Nieder- druckturbine • das beschriebene Verfahren bzw eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung ist nachrustbar
Eine vergleichbare Zuverlässigkeit gegenüber direkt wirkenden Systemen ist abgesichert durch entsprechende Redundanzen der Meßstellen, der Meßsignahnformatio- nen und deren Verarbeitung Dabei können durchaus eine Vielzahl von Details auch abweichend vom beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen

Claims

Patentansprüche
1 Verfahren zum Erkennen eines Wellenbruches in einer Stromungskraftmaschine mit dem Ziel, danach eine geeignete drehzahlbregenzende Maßnahme, insbesondere eine Brennstoffschnellabschaltung bei einer Flug- Gasturbinenanlage, einzuleiten, wobei ein drehmomentabgebender Tur- binenlaufer und ein drehmomentaufnehmendes Aggreggat über die hinsichtlich eines Bruches zu überwachende, im wesentlichen endseitig in zumindest zwei Walzlagern (6, 7) gelagerte Welle (3) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfrequenzen (fn1 fn2) der beiden Wellenenden in den Walzlagern (6, 7) kontinuierlich und im wesentlichen in Echtzeit ermittelt und miteinander verglichen werden, und daß bei einer gegenüber der Drehfrequenz (fn1) am Walzlager (6) des drehmomentaufnehmenden Aggregates höheren Drehfrequenz (fn2) am turbinenlauferseitigen Walzlager (7) auf einen Bruch der Welle (3) geschlossen wird
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Walzlager (6, 7) ein getrennt funktionierender Meßkanal zur Bestimmung der Drehfrequenz (fnι fn2) des jeweiligen Wellenendes in den Walzlagern (6, 7) vorhanden ist und die beiden Meßkanale in einem Komperator (18) zwecks Vergleiches der
Drehfrequenzen (fnι fn2) zusammengeführt werden, wobei die Meßsig- nalgewinnung, Weiterleitung und Verarbeitung bis hm zum Vergleich beider Drehfrequenzen (fnι fn2) im Echtzeitbereich ablauft und in Echtzeit eine elektrische Stellgroße gebildet wird, die bei einer signifikanten Differenz zwischen den beiden Drehfrequenzen (fn1 fn2) unverzüglich die genannte geeignete drehzahlbregenzende Maßnahme einleitet, insbesondere ein Brennstoffschnellschlußventil (20) unverzüglich schließt
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das an den Wälzlagern (6, 7) mittels Meßsignalaufnehmern (8a, 8b, 9a, 9c) ermittelte Meßsignal eine Redundanz in der Meßinformation enthält und vorzugsweise ein komplexperiodisches Signal ist.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das komplexperiodische Meßsignal { f(t) = f( t+ nT ) mit n = 0; 1 ; 2 ... } vom Zeitbereich in den Frequenzbereich mittels Fast Fourier Transmission echtzeitge- recht in ein Amplitudenspektrum überführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei über eine Filtereinheit (14, 15) echtzeitgerecht für beide Wälzlager (6, 7) die Rotationsfrequenz des Wälzlager-Käfigs und/oder die Überrollfrequenz des Wälzlager-Außenrings und/oder die Überrollfrequenz des Wälzlager-Innenrings und/oder die Wälzkörperrotationsfrequenz festgestellt und hieraus die Drehfrequenzen (f„i; fn2) der in den Wälzlagern (6, 7) gelagerten Wellenenden bestimmt werden.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei echtzeitge- recht mittels eines Arithmetik-Prozessors (16, 17) für beide Wälzlager (6, 7) über getrennte Meßkanäle die Bestimmung der Drehfrequenz (fn1; fn2) des jeweiligen Wellenendes unter Rückgriff auf eine oder mehrere typische Wälzlagerfrequenzen erfolgt, die von den Wälzlagern (6, 7) bei deren Rotation emittiert werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei bei Verwendung von mehr als einer typischen Wälzlagerfrequenz die Bestimmung der Drehfrequenzen (fn1; fn2) nach der Gauß'schen Methode der kleinsten Fehlerquadrate in der Form (fn1 ± σ^ und (fn2 ± σ2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im möglichen Drehzahlbereich der beiden Wälzlager (6, 7) bei Auftreten einer signifikanten Differenz zwischen den beiden Drehfrequenzen (fn1; fn2) ein Schnellschluß des ansonsten unter elektrischer Spannung stehenden und dabei geöffnet Brennstoffschnellschlußventils (20) durch unverzügliche Spannungslosschaltung erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß im möglichen Drehzahlbereich der beiden Wälzlager (6, 7) von { fn2 + σ2 = fn1 - σi } bis { fn1 + σ^ = fn2 - σ2 } das Brennstoffschnellschlußventil (20) unter elektrischer Spannung steht und geöffnet ist und daß ein Schnellschluß des Brennstoffschnellschlußventils (20) durch unverzügliche Spannungslosschaltung erfolgt, wenn die Bedingung { fn1 + σ- < fn2 - σ2 } erfüllt ist.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei an beiden Wälzlagern (6, 7) jeweils zumindest zwei Meßsignalaufnehmer (8a, 8b, 9a, 9c) angebracht sind, deren Anordnung und Funktion je Wälzlager (6, 7) redundant ausgeführt ist und wobei es sich bei den Meßsignalaufnehmern (8a, 8b, 9a, 9c) um Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmer jeweils gleichen Typs handelt.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das drehmomentaufnehmenden Aggregat (6) ein Verdichter, ein Fan, ein Booster, ein Propeller oder eine Kombination hiervon ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Brennstoff-Schnellschlußventil (20) federbelastet ist und mittels einer stromdurchflossenen elektromagnetischen Stelleinrichtung (22) im geöffneten Zustand gehalten wird.
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