DE19923143A1

DE19923143A1 - Anordnung zur Online-Überwachung von versagenstoleranten Hochleistungsrotoren

Info

Publication number: DE19923143A1
Application number: DE1999123143
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2000-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Online-Überwachung von versagenstoleranten Hochleistungsrotoren, vorzugsweise aus Verbundwerkstoffen, enthaltend eine einen Transponder bildende Einheit aus einem elektronischen Miniaturschaltkreis, einen Antennenkreis und wenigstens einen Rißsensor, die elektrisch miteinander verbunden auf oder im Hochleistungsrotor angeordnet sind, wobei der Transponder zum Senden von Information mit einer externen Basisstation koppelbar ist. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rißsensor (2; 4, 5) eine eingestellte Rißdehnung aufweist und flächig mit einem versagenskritischen Bereich des Hochleistungsrotors (1) verbunden ist, wobei das Erreichen kritischer Versagensspannungen zu einer ein- oder mehrmaligen kurzzeitigen oder bleibenden Unterbrechung des Antennenkreises (8) und damit verbundenen Verstimmung des Transponders (9) führt, die an die Basisstation als Information zum Abbremsen oder Abschalten des Hochleistungsrotors (1) gesendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Online-Überwachung von versagenstoleranten Hochleistungsrotoren, vorzugweise aus Verbundwerkstoffen, enthaltend eine einen Transponder bildende Einheit aus einem elektronischen Miniaturschaltkreis, einem Antennenkreis und wenigstens einem Rißsensor, die elektrisch miteinander verbunden auf oder im Hochleistungsrotor angeordnet sind, wobei der Transponder zum senden von Information mit einer externen Basisstation koppelbar ist.

Die in der Praxis hauptsächlich verwendeten meßtechnischen Methoden zur Untersuchung des Dehnungszustandes eines belasteten Objektes und damit gegebener Rückschlußmöglichkeiten auf den Spannungszustand sind die Dehnungsmeßtechnik mit Dehnungsmeßstreifen (DMS) sowie spannungsoptische Oberflächenschichtverfahren. Diese Methoden untersuchen nur den Oberflächendehnungszustand und setzen die Berechnungsmöglichkeit für die interessierenden im Bauteilinneren wirksamen Spannungs- und Dehnungszustände voraus.

Als wesentliche Nachteile der klassischen auf die Oberfläche aufgeklebten DMS als Meßelemente auf schnellaufenden Rotoren ergeben sich:

- Zerstörung der DMS-Struktur, insbesondere der Löt-/Kontaktstellen, durch die bei sehr hohen Drehzahlen auftretenden Belastungen. Als Grenze für einen im Abstand von 10 mm vom Mittelpunkt angebrachten Sensor werden 100000 Umdrehungen je Minute abgeschätzt.
- Die Dehnungsmessung erfolgt lokal. Die Abschätzung der Belastung für eine beliebige Fläche ist mit dieser Technik ausgeschlossen.
- Die Compositwerkstoffe der Hochleistungsrotoren erlauben Betriebstemperaturen von bis zu 250°C. Die Grenztemperatur der aufgeklebten Sensorik liegt deutlich darunter und würde die Einsatzfähigkeit des Bauteils einschränken.

Ein wesentliches Kriterium beim Entwurf versagenstoleranter Bauteile/Rotoren in Verbundwerkstoffbauweise stellt die Integration einer geeigneten "Sollbruchstelle" ins Bauteil dar. Diese mechanische Erkennungsstruktur muß so ausgelegt sein, daß ein Versagen bzw. eine Zerstörung des Bauteils/Rotors an dieser Stelle nicht zu dem sonst typischen crashen der Verbundwerkstoffbauteile führt. Vielmehr muß die Grenzbelastung der Erkennungsstruktur kleiner sein als die Grenzbelastung des eigentlichen Bauteils/Rotors.

Wird eine solche Stelle durch eine Warnsensorik permanent überwacht, so kann bei Überschreitung eines Dehnungsgrenzwertes, die Anlage vor dem eigentlichen Crash des Rotors definiert abgeschaltet werden.

Die angestrebten Drehzahlen von Hochleistungsrotoren liegen im Bereich von einigen 10000 U/min bis über 100000 U/min. Hier können die auszuwertenden Informationen/Signale aus dem Rotor nur berührungslos zu einer entsprechenden Auswerteeinheit übertragen werden. Schleifringe o. ä. scheiden in diesem Drehzahlbereich prinzipbedingt aus.

Nachteile der Betriebsüberwachung schnellaufender Rotoren auf Basis von Sensorsystemen, die eine permanente quasianaloge Dehnungsmessung im Bauteil/Rotor ausführen ergeben sich u. a. durch die Probleme der Datenübertragung aus dem Rotor. Die hierfür üblicherweise eingesetzten Telemetriesysteme nutzen zur Datenübertragung optische bzw. funktechnische Verfahren. Zum einen sind die Kosten für die im Bauteil notwendige Elektronik zur Datengewinnung, Datenauswertung und -übertragung (sog. Rotorelektronik) so hoch, daß eine serienmäßige Implementierung solcher Systeme in Standardrotoren ausscheidet. Zum anderen besitzt die Rotorelektronik eine, im Vergleich zum Rotor selbst nicht zu vernachlässigende Masse und Größe. Hier sind Probleme für Herstellung und Betriebsverhalten des Rotors zu erwarten.

Die z. B. aus der US 5 509 622 bekannte Rißüberwachung an Rotoren mittels Vakuumleitung und Drucksensor scheidet aufgrund nicht beherrschbarer Technologien bei der Herstellung für Verbundwerkstoffbauteile aus.

Aus der DE 197 20 747 A1 ist schließlich ein Sicherheitselement enthaltend eine einen Transponder bildende Einheit aus einem elektronischen Miniaturschaltkreis und einer elektrischen Wicklung, die elektrisch miteinander verbunden auf oder in einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, wobei der Transponder zu seiner Identifizierung mit einem externen Lesegerät koppelbar ist, bekannt. Dieses Sicherheitselement ist dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mindestens einen Sollbruchbereich aufweist, bei dessen Bruch die elektrische Verbindung zwischen Schaltkreis und Spule dauerhaft unterbrochen ist.

Außerdem ist aus der DE 44 15 824 C1 noch eine Anordnung einer Beschädigungs-Warnsensorik an den Meisselhalterungen des Schneidkopfes einer Teilschnittmaschine zur lokalen Erfassung von Beschädigungen der Meisselhalterungen mittels beschädigungssensitiver Sensorelemente bekannt. Der Meisselhalter ist mit einer Sensorhülle ummantelt und mit einem abriebfesten Material versehen. Jede Art der Meisselhalterdefekte wird durch beschädigungssensitive Sensorelemente zusammen mit einer Datenübertragungseinheit erfaßt und zur Anzeige gebracht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die erforderlichen Meßelemente und Anschlußleitungen so mit einem Hochleistungsrotor zu verbinden, daß ein versagenskritischer Spannungszustand vor dem Crashen der rotierenden Werkstoffstruktur erkannt wird und zur Abbremsung oder Abschaltung des rotierenden Hochleistungsrotors ausgenutzt werden kann, wobei die erforderlichen Meßelemente in ihrem Aufwand auf eine Minimum beschränkt sein sollen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß der Rißsensor eine eingestellte Rißdehnung aufweist und flächig mit einem versagenskritischen Bereich des Hochleistungsrotors verbunden ist, wobei das Erreichen kritischer Versagensspannungen zu einer ein- oder mehrmaligen kurzzeitigen oder bleibenden Unterbrechnung des Antennenkreises und damit verbundenen Verstimmung des Transponders führt, die an die Basisstation als Information zum Abbremsen oder Abschalten des Hochleistungsrotors gesendet wird.

Vorteilhaft weist der Rißsensor eine im Bereich von 0,8% bis 1,5% eingestellte Rißdehnung auf. Damit kann durch die Unterbrechnung des Antennenkreises eine Information zu einem Zeitpunkt gesendet werden, zu dem sich die Spannungszustände im Hochleistungsrotor noch nicht versagenskritisch ausgewirkt haben.

Die ungewöhnlich niedrige Rißdehnung kann auf verschiedene Weise eingestellt werden. Dies kann vorteilhaft durch geeignete Materialwahl erfolgen oder durch eine Behandlung des Materials, die zu einer entsprechende Änderung der Materialeigenschaften führt.

Eine vorteilhafte Variante zur Herstellung eines dehnungsempfindlichen Rißsensors besteht im Ätzen einer Metallfolie, die planeben auf das Bauteil aufgebracht wird. Die Vorteile liegen dabei in einer höheren Betriebstemperatur (< 250°C) und einer hohen mechanischen Belastbarkeit deren Grenzen erst durch die Grenzwerte des gesamten Bauteils gegeben sind, sowie in der Gestaltung bauteilspezifischer Geometrien.

Ebenso ist der Einsatz von C-Fasern als Rißsensor möglich. Vorteilhaft ist hier, daß bei Hybridstrukturen aus Werkstoffen sehr unterschiedlicher elastischer Kennwerte, die Dehnungsmessung in den Komponenten mit hohem Elastizitätsmodul direkt erfolgen kann. Die dehnungsabhängige Widerstandsänderung der C-Fasern ist ausreichend linear, der Hysteresefehler gering.

Vorteilhaft ist die elektrisch leitfähige Struktur des Rißsensors Bestandteil des Antennenkreises.

Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, wenigstens 2 Rißsensoren als Reihenschaltung in einem Antennenkreis derart vorzusehen, daß entsprechend mehrere versagenskritische Bereiche des Hochleistungsrotors überwacht werden, wobei das Erreichen einer kritischen Versagensspannung zur Unterbrechnung des Antennenkreises führt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Hochleistungsrotor dazu neigt, sein Versagen durch die Ausbildung von Mikrorissen anzuzeigen.

Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß nicht wie erwartungsgemäß ein analoger Dehnungszustand gemessen wird, sondern bei der Messung nur auf den Zustand "Grenzdehnung überschritten" abgestellt wird. Dazu muß der verwendete Rißsensor eine ungewöhnlich niedrige Rißdehnung von vorzugweise 0,8 bis 1,5% aufweisen, damit eine schädliche Auswirkung der Dehnung ausbleibt. Von einer entfernt angeordneten Basisstation wird ein HF-Feld ausgesendet, in dessen Wirkungsbereich sich der Antennenkreis befindet. Der Transponder versorgt sich durch dieses Feld mit Energie und sendet kontinuierlich Daten zur Basisstation.

Die Signalauswertung erfolgt direkt durch die Einheit aus Transponder und Antennenkreis. Der Rißsensor kann dabei in die Zuleitung der Antenne integriert werden oder selbst den Antennenkreis bilden. Er überwacht die erwähnte mechanische Struktur hinsichtlich einer auftretenden Grenzdehnung.

Er besteht im einfachsten Fall aus einer elektrisch leitfähigen Struktur (Draht, Folie o. ä.), die derart auf einem versagenskritischen Bereich appliziert ist, daß sie bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenzdehnung bzw. bei Zerstörung der Erkennungsstruktur zerreißt, so daß der elektrische Widerstand zwischen den beiden Sensorausgängen hochohmig wird. Dadurch wird die Zuleitung zur Transponderantenne unterbrochen. Der Transponder kann keine Daten mehr senden. Dieser Zustand wird in der Basisstation als Information zum Abschalten/Abbremsen des Rotors erkannt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in den geringen Kosten (einige 10,- DM), den geringen Abmessungen (Integration ins Bauteil) und dem geringen Gewicht (Betriebsverhalten) des Transponders.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Erfindung,

Fig. 2 einen Scheibenrotor mit auf einen Bereich begrenzt aufgebrachten Rißsensor und Darstellung des Dehnungsverlaufes als Funktion des Radius,

Fig. 3 einen Scheibenrotor mit flächig aufgebrachten Rißsensor,

Fig. 4 einen Rißsensor in Seitenansicht,

Fig. 5 einen Rißsensor in Draufsicht,

Fig. 6 einen Rißsensor in Seitenansicht nach dem Riß,

Fig. 7 einen Rißsensor in Draufsicht nach dem Riß,

Fig. 8 einen Rißsensor in Seitenansicht bestehend aus Beschichtung und Grundkörper.

In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Erfindung dargestellt. Der linke Teil zeigt eine integrierte Rotorsensorik, die aus Transponder 9, Rißsensor und Antennenkreis 8 besteht. Der rechte Teil zeigt die außerhalb des Hochleistungsrotors 1 befindliche Basisstation, bestehend aus Auswerteschaltung und eigenem Antennenkreis. Beide Teile sind durch eine HF- Übertragungsstrecke miteinander koppelbar.

In der Fig. 2 ist ein als Scheibenrotor ausgebildeter Hochleistungsrotors 1 dargestellt, dessen Oberfläche teilweise mit einer strukturierten Metallfolie 2 belegt ist. Die Metallfolie 2 fungiert als Rißsensor und als Antennenkreis 8. An den beiden Enden der strukturierten Metallfolie 2 ist ein Transponder 9 angeschlossen. Die Metallfolie 2 wird zweckmäßiger Weise zunächst ganz ein- oder beidseitig auf der Oberfläche des Hochleistungsrotors 1 aufgebracht und anschließend fotochemisch strukturiert.

In der Fig. 2 wird außerdem ein Diagramm zur Darstellung der Dehnung als Funktion des Radius für eine rotatorische Belastung eines Hochleistungsrotors 1 gezeigt. Für die Tangentialdehnung ergibt sich ein Maximalwert am Innenradius. Zur Erfassung dieser Tangentialdehnung ist die Metallfolie 2 in diesem Bereich etwa spiralförmig strukturiert. Die Radialdehnung weist einen Maximalwert im Bereich zwischen Innen- und Außenradius auf. Zur Erfassung kritischer Radialdehnungen überdeckt dazu die strukturierte Metallfolie 2 den entsprechenden Bereich etwa meanderförmig.

In der Fig. 3 ist eine Metallfolie 2 auf der Oberfläche eines Hochleistungsrotors 1 spiralförmig strukturiert und dient in ihrer gesamten Ausdehnung als Rißsensor und Antennenkreis 8. Bei dieser Ausführung überwacht der Rißsensor quasi die gesamte Fläche des Hochleistungsrotors 1, und dient damit der Erfassung von Mikrorissen 9. Für eine günstige Masseverteilung ist der Transponder 9 am Rotorinnenradius angebracht. Die Zuleitung vom Außenradius erfolgt elektrisch isoliert.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine Bauteil, welches einen Rißsensors in Form einer Metallfolie 2 auf einem Hochleistungsrotor 1 darstellt. Die Lötstützpunkte 3 dienen zur Kontaktierung mit einem Antennenkreis 8 oder einem Transponder 9. Die Ausrichtung des Rißsensors erfolgt in der zu überwachenden Richtung maximaler Dehnung. Der Kontakt des Rißsensors mit dem Hochleistungsrotors 1 ist dabei vollflächig und planeben. Fig. 5 zeigt die zugehörige Draufsicht.

Die Darstellung in den Fig. 6 und 7 entspricht denen in Fig. 4 und 5 nach Entstehung eines Risses im Hochleistungsrotors 1. Durch den vollflächigen und planebenen Kontakt wird der Riß bei entsprechend niedrig eingestellter Rißdehnung auf den Rißsensor, hier in Form einer Metallfolie 2, sofort übertragen, was zu einer Unterbrechung des Antennenkreises 8 führt.

In der Fig. 8 ist eine weitergehende Ausbildung eines Rißsensors dargestellt. Dazu ist ein Grundkörper 4, beispielsweise aus Keramik, mit einer leitfähigen Beschichtung 5 versehen. Der Grundkörper ist seinerseits vollflächig und planeben mit einem Hochleistungsrotor 1 verbunden. Bei dieser Anordnung erfolgt die Einstellung der erforderlichen Rißdehnung durch entsprechende Materialwahl des Grundkörpers 4. Ein im Grundkörper 4 fortgesetzter Riß führt zu einer Unterbrechung der metallischen Beschichtung 5, die selbst nicht auf Dehnung beanspruchbar ist.

Bezugszeichenliste

1

Hochleistungsrotor

2

Metallfolie

3

Lötstützpunkt

4

Grundkörper

5

Beschichtung

6

Mikroriß

7

Rotornabe

8

Antennenkreis

9

Transponder

Claims

1. Anordnung zur Online-Überwachung von versagenstoleranten Hochleistungsrotoren, vorzugweise aus Verbundwerkstoffen, enthaltend eine einen Transponder bildende Einheit aus einem elektronischen Miniaturschaltkreis, einem Antennenkreis und wenigstens einem Rißsensor, die elektrisch miteinander verbunden auf oder im Hochleistungsrotor angeordnet sind, wobei der Transponder zum senden von Information mit einer externen Basisstation koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rißsensor (2; 4, 5) eine eingestellte Rißdehnung aufweist und flächig mit einem versagenskritischen Bereich des Hochleistungsrotors (1) verbunden ist, wobei das Erreichen kritischer Versagensspannungen zu einer ein- oder mehrmaligen kurzzeitigen oder bleibenden Unterbrechnung des Antennenkreises (8) und damit verbundenen Verstimmung des Transponders (9) führt, die an die Basisstation als Information zum Abbremsen oder Abschalten des Hochleistungsrotors (1) gesendet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rißsensor (2; 4, 5) eine im Bereich von 0,8% bis 1,5% eingestellte Rißdehnung aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rißdehnung durch Behandlung des Materials des Rißsensors (2; 4) einstellbar ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rißsensor (2; 4, 5) Bestandteil des Antennenkreises (8) ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 2 Rißsensoren (2; 4, 5) als Reihenschaltung in einem Antennenkreis (8) derart vorgesehen sind, daß entsprechend mehrere versagenskritische Bereiche des Hochleistungsrotors überwacht werden, wobei das Erreichen einer kritischen Versagensspannung zur Unterbrechnung des Antennenkreises (8) führt.