Verfahren und Einrichtung zum Messen einer Antriebsleistung Method and device for measuring drive power
Technisches GebietTechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zum Messen einer Leistung eines eine Welle drehend antreibenden Antriebs. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung eines berührungslos arbeitenden Drehmomentsensors.The present invention relates to a device and a method for measuring a power of a drive rotating a shaft. The invention also relates to the use of a non-contact torque sensor.
Stand der TechnikState of the art
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.Drives that drive a shaft are known from a variety of applications. For example, a piston engine drives a crankshaft and a drive train coupled to it. An electric motor drives its rotor shaft and possibly a drive train coupled to it. A turbo machine also drives its rotor. For the operation of such drives or for the operation of systems equipped with such drives, it may be necessary to know the power transmitted from the respective drive to the respective shaft as precisely as possible. If the shaft power is known, operating parameters of the system or the respective drive can be regulated in a power-controlled manner, for example. A direct measurement of the power transmitted from the respective drive to the respective shaft is generally only comparatively difficult to achieve during the intended use of the respective drive. For example, in the case of piston engines, the current engine power is determined from characteristic maps in which the engine power is stored as a function of a throttle valve position and an engine speed. Such maps are recorded in special test benches and have limited accuracy due to the manufacturing tolerances of the piston engines. In the case of electric motors, the power transferred to the rotor can be determined relatively easily from the electric power consumed by the electric motor, empirically determined loss coefficients being taken into account. In the case of a turbo group that drives a generator in a power plant, the power transmitted from the turbo group to the shaft can also be determined on the basis of the electrical power generated by the generator, empirical losses being taken into account here as well.
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.In addition, the electrical power of the generator can be used to determine the power transmitted from the turbo group to the shaft relatively precisely only in a stationary operating state. During transient conditions, especially when starting up or starting up such a gas turbine system, an exact determination of the active power in modern, clocked drives requires a high measurement effort; or the determination of the drive power is fraught with high uncertainties due to the high-frequency variation of the reactive power. Recording the power when starting or starting a turbo group is therefore very difficult and time-consuming.
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.In a drive system in which several drives drive a common shaft, it may be necessary that the individual drives Record the output power individually, for example to be able to control the individual drives individually. Here the performance measurement is complex and difficult. With a turbo group, the rotor of which is driven by a gas turbine and a steam turbine, a thermodynamic balancing is used, for example, in order to distribute the power transferred from the entire turbo group to the rotor among the individual drives (gas turbine and steam turbine). Such accounting is, however, fraught with errors. In the case of more extensive systems, which also include, for example, a low-pressure turbine and a medium-pressure turbine, the calculation of the individual power of the individual drives is very complex, with the accuracy simultaneously decreasing.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
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.The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, deals with the problem of providing an improved way for a drive which drives a shaft to rotate, to measure the power transmitted from the drive to the shaft. In particular, a way is to be shown which enables a direct and continuous measurement of the shaft power. Furthermore, a way is to be shown which simplifies the measurement of the shaft power when starting a turbo group. In addition, a way is to be shown which enables a separate measurement of the individual drive powers of the individual drives in the case of a drive train with several drives.
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.According to the invention, this problem is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims. The present invention is based on the general idea of using a torque sensor to detect a signal that correlates with a torque that is transmitted at the respective measuring point within the shaft. The torque can then be used in conjunction with the current shaft speed to calculate the current shaft power at said measuring point. If the torque sensor detects the respective signal on the shaft without contact, there are no repercussions on the drive. Furthermore, the installation effort is very low.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur Messung der Wellenleistung wir die von der Welle übertragene Leistung direkt und kontinuierlich erfasst. Insbesondere kann somit die Wellen leistung auch bei diskontinuierlichen Vorgängen oder bei transienten Vorgängen gemessen werden.With the aid of the procedure according to the invention for measuring the shaft power, the power transmitted by the shaft is recorded directly and continuously. In particular, the wave power can thus also be measured in discontinuous processes or in transient processes.
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.It is particularly advantageous in the procedure according to the invention that in the case of a drive train in which a plurality of drives drive a common shaft, the power transmitted from the individual drives to the shaft can be determined individually without having to resort to complex and error-prone calculation models.
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 der Wellenoberfläche 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.The torque sensor used here works on the basis of an anisotropic magnetostrictive effect that occurs with ferromagnetic waves. The torque transmitted by the shaft creates a torsion in the shaft, which leads to torsional stresses in the shaft material. These torsional stresses change the magnetic permeability in the direction of the expansion stresses and compressive stresses. With the help of the sensor, the permeability or the change in permeability can now be measured at the respective measuring point on the shaft. How the torque sensor works is now based on the knowledge that the permeability in a sufficiently large measuring range is proportional to the torsional stress on the shaft surface. Furthermore, the torsional stress is proportional to the torsion of the shaft, so that when knowledge of the shaft parameters, such as. B. area moment of inertia and material that can be calculated effective torque in the shaft. Accordingly, the present invention makes use of the knowledge that the permeability which can easily be measured with the aid of the torque sensor correlates without contact with the torsional stress and correlates this with the transmitted torque, so that ultimately the permeability which can be detected with the aid of the sensor correlates with the torque transmitted in the measuring point , In this way, a signal correlating with the torque can be easily generated with the aid of the torque sensor.
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.As explained, in addition to the torque, the speed of the shaft is also required to determine the shaft power. With certain drives, corresponding control devices can readily provide a speed signal that correlates with the speed, so that an already existing speed signal can be used to determine the shaft power. If the speed of the shaft has to be determined separately, a conventional speed sensor can be used. A contactless speed sensor is preferred which can detect the current speed of the shaft inductively or optically, for example. In this way, disadvantageous interaction with the drive can again be avoided.
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.The invention is particularly suitable for use in a drive train of a turbo group in which several drives, for. B. a gas turbine and a steam turbine, a common shaft, usually a rotor of the turbo group, drive. By an appropriate selection of the The respective measuring point along the shaft can be individually determined with the aid of the invention, the power introduced into the common shaft by the individual drives. This applies both to steady-state operating states and when the turbo group is started up and in other transient states.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.Further important features and advantages of the present invention result from the subclaims, from the drawing and from the associated description of the figures with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Preferred embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description.
Die einzige Fig. 1 zeigt eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung.The only Fig. 1 shows a circuit diagram-like schematic representation of a device according to the invention.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
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.1, a drive 1 is drive-coupled to a shaft 2, so that the drive 1 drives the shaft 2 in rotation during operation. The drive 1 can in principle be any drive machine suitable for rotating the shaft 2, such as, for. B. a piston engine, an electric motor or a turbomachine. In the example shown here, the drive 1 is a turbine, for. B. a gas turbine or a steam turbine. The turbine 1 can form part of a turbo group which comprises one or more turbomachines. In particular, the turbo group can have several driving fluid machines, such as. B. include one or more gas turbines and / or one or more steam turbines, each of which drives the shaft 2.
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 TurbineThe shaft 2 is therefore a basically any output shaft of the drive 1, in particular a crankshaft of a piston engine or a rotor of an electric motor or a drive train coupled to the crankshaft or to the rotor. In the exemplary embodiment shown here, the shaft 2 is a rotor of the turbine
1 bzw. der Turbogruppe, deren Bestandteil die Turbine 1 ist.1 or the turbo group, of which the turbine 1 is a component.
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.Via the shaft 2, the drive 1 generally drives a machine, not shown here, which can be a pump, for example. If the drive 1 is a turbine 1 or a turbo group, the shaft 2 expediently drives at least one generator.
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 WelleA measuring device 3 according to the invention is provided for measuring the line transmitted from the drive 1 to the shaft 2. The measuring device 3 comprises at least one torque sensor 4, which is arranged at a suitable measuring point 5 along the shaft 2, symbolized by a brace. The torque sensor 2 generates a signal M in a manner which will be explained in more detail below, which signal from the shaft within the measuring point 5
2 übertragenen Drehmoment korreliert.2 transmitted torque correlated.
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 Drehzahlsignal 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 = M x 2 x π x n.The measuring device 3 also includes an evaluation unit 6, to which the signal M of the torque sensor 4 is fed. If the torque sensor 4 generates an analog signal M, an analog / digital converter 7 is arranged between the torque sensor 4 and the evaluation unit 6, which converts the incoming analog signal into an outgoing digital signal transformed. Furthermore, the evaluation unit 6 has access to a speed of the shaft 2. For example, the shaft speed is already determined and / or provided for another purpose within another system of the drive 1, so that the evaluation unit 6 only has to be connected to said system. In the embodiment shown here, the shaft speed is determined with the aid of a speed sensor 8, which generates the speed signal n correlating with the shaft speed and feeds it to the evaluation unit 6. The evaluation unit 6 can now determine a power signal P correlating with the power of the drive 1 from the incoming signal M of the torque sensor 4 and the speed signal n; Usually P = M x 2 x π x n.
Der Drehzahlsensor 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.The speed sensor 8 preferably works without contact and can the speed of the shaft 2 z. B. optically or inductively. According to the invention, the torque sensor 4 also works without contact. On the one hand, this does not result in any adverse interactions between the sensors 4, 8 and the shaft 2 or the drive 1. On the other hand, the installation outlay for the measuring device 3 is considerably reduced, since the torque sensor 4 is virtually at any suitable, appropriately accessible Point along the shaft 2 can be positioned.
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 Torsionsspannuπg 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.The shaft 2 consists of a ferromagnetic material, e.g. B. made of steel. It has been shown that the magnetic permeability of such a shaft 2 changes as a function of the torsional stresses formed therein. This is used in the present invention in that the torque sensor 4 is designed such that it can detect a signal at the measuring point 5 that correlates with the magnetic permeability. Since the permeability is proportional to the torsional stress on the surface of the shaft 2 in a measuring range which is sufficiently large for the measuring purposes at hand is, the signal generated by the torque sensor 4 also correlates with the torsion voltage on the shaft surface at the measuring point 5. Since the torsional stress also results from the torsion of the shaft 2 at the respective measuring point 5 and thus from the torque transmitted by the shaft 2 at the measuring point 5 the torsional stress in turn with the torque. Ultimately, the permeability of shaft 2 thus correlates with the torque transmitted by shaft 2. Accordingly, the signal M determined by the torque sensor 4 correlates with the torque transmitted by the shaft 2 in the area of the measuring point 2.
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.In a further development of the measuring device 3, the torque measurement with the aid of the torque sensor 4 can also be used to monitor the time course of the torque at the measuring point 5. In particular, torsional vibrations of shaft 2 can be analyzed. This monitoring and evaluation of torsional vibrations can take place in the evaluation unit 6 shown here or alternatively in another, additional evaluation unit which has access to the signal M generated by the torque sensor 4 or is supplied in parallel with this signal M by the torque sensor 4.
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.The measuring device 3 according to the invention can for example be integrated in a test bench system, with the aid of which a separate shaft power measurement can be carried out. Furthermore, the measuring device 3 can expediently also be integrated into a measuring system which is suitable for measuring separate drive powers of a plurality of drives 1, these drives 1 driving the same shaft 2. For example, a generator, a gas turbine, a compressor and a steam turbine are connected to one another via the shaft 2. By suitably arranging the measuring points 5 between the individual drive and / or drive components, the power consumed by the generator, the power consumed by the compressor, the power introduced by the gas turbine and the power introduced by the steam turbine can be determined individually and with great accuracy by addition or summation. Empirical estimates using thermodynamic calculation methods are not required.
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 entsprechenderweise 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.The measuring device 3 can be integrated particularly easily into a power control system for the drive 1. In this way, a power-controlled regulation of the respective drive 1 can be easily represented. For example, the measuring device 3 can be integrated into a closed loop control. This also applies in a corresponding manner to a control system which can individually adjust or regulate the power of a plurality of drives 1 which drive a common shaft 2 with the aid of a corresponding number of measuring devices 3 according to the invention.
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.In addition, the measuring device 3 can be integrated into another power measurement system that is used to determine the power of a generator. The power values determined by the measuring device 3 according to the invention can be used as redundant values to those of the other power measurement system. In this respect, the measuring device 3 enables inexpensive monitoring of other, usually more complex, power measurement systems.
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.With the help of drive protection systems, the proper operation of drive 1, for example a turbo group, can be monitored. By integrating the measuring device 3 according to the invention into such a drive protection system, an additional parameter is provided which is advantageous for monitoring the proper operation of the drive 1 can be used. Furthermore, diagnostic and / or monitoring systems are possible, with the aid of which the time course of the drive power can be monitored, evaluated and / or visualized. Here, too, the measuring device 3 according to the invention can deliver the required power signals P in a particularly inexpensive manner.
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.
As already mentioned above, the measuring device 3 according to the invention can also be integrated into a torsional vibration analysis system, with the aid of which the vibration behavior of the shaft 2 can be monitored. The vibration behavior of shaft 2 in turn provides information about the current operating state of drive 1.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Antrieb/Turbine/Turbogruppe 2 Welle/Rotor 3 Messeinrichtung 4 Drehmomentsensor 5 Messstelle 6 Auswerteeinheit 7 Analog/Digital-Wandler 8 Drehzahlsensor1 drive / turbine / turbo group 2 shaft / rotor 3 measuring device 4 torque sensor 5 measuring point 6 evaluation unit 7 analog / digital converter 8 speed sensor
M Signal von 4 n Signal von 8M signal of 4 n signal of 8
P Signal von 6
P signal from 6