Verfahren zur Prüfung eines Rades und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines Rades, beispielsweise eines Tur- binenrades, bei welchem in diesem Rad sich in Um fangsrichtung fortpflanzende Biegungswellen erzeugt wenden, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Turbinenräder beispielsweises können mit umlau fenden Biegungswellen verschiedener Frequenz vi brieren. Die Schwingungen, die in Turbine anr geregt werden können, weisen verschiedene Knotendurchmesser auf, welchen Durchmessern der Abstand zweier gegenüberliegender Knoten derselben Schwingung entspricht, und es ist, allgemein bekannt, dass Schwmgungsformen mit weniger als fünf Kno tendurchmessem zu gefährlichen Situationen führen können. Bei all diesen Schwingungen pendelt jedes Element der mitschwingenden Scheibe in axialer Richtung, wobei die Amplitude über den Scheibenumfang wellenartig variiert.
Die Schwingungen einer angefertigten Scheibe (im Gegensatz zur idealen Scheibe) können vom nu- henden Beobachter aus als zwei identischen, sich in entgegengesetztem Drehsinn fontpflanzende Wellen betrachtet werden. Dreht das Rad mit der selben Geschwindigkeit, wie sich die Welle in der Scheibe fortpflanzt, also mit der kritischen Drehzahl, so he- ben sich für den Aussenstehenden die beiden Ge schwindigkeitskomponenten'auf,'und die auf der Scheibe rückwärts verlaufende Welle steht im Raume still.
Daraus folgt somit, dass in diesem Falle eine ruhende Kraft an einem raumfesten Punkte in den Scheibe diese unerwünschten Schwingungen anregen kann, wobei i solche Kräfte in Turbinen vorkommen, besonders wegen Diskontinuitäten im Dampffluss.
Aus diesem Grunde besteht der Wunsch, die verschiedenen Eigenfrequenzen (Grund-und Ober- sohwingungen) eines Rades zu ermitteln, was ohne Schwierigkeiten am stillstehenden Rad ausführbar ist, doch wenn das Rad sich dreht, erhöhen sich infolge von zentrifugalen Versteifungseffekten die Resonanzfrequenzen der Scheibe.
Beim Betrieb der Turbine können solche Vilbra- tionen durch Dampfstromdiskontinuitäten angeregt werden, was unter entsprechenden Umständen zu diesen gefährlichen, stehenden Wellen führen kann, weshalb es wichtig ist, dass'diese kritischen Touret- zahlen niedriger Ordnung gemieden werden, weshalb vorausgesetzt ist, dass ihre Grösse genau bekannt ist.
Es ist schon vorgeschlagen worden, Biegewellen in einem Turbinenrad zu erzeugen, indem man dais zu prüfende Rad mit irgendeiner Drehzahl au, einem kontinuierlichen Drehzahlbereich rotieren lässt und indem man einen Elektromagneten vorsieht, mittels welchem man auf eine beschränkte Umfangsringzons des Rades rhythmische Zugimpulse ausübt, wobei die Drchzahl und die Impulsfrequenz so gewählt werden, dass im Rad ein Aufbau einer Schwingungsamplitude erzeugt wird.
In Anbetracht der grossen Kräfte, welche beim Rotieren eines mit Schaufeln versebenen Turbinen- rades in einem unvollkommenjen Vakuum im Spiel sind, ist es aber sehr schwierig, die Drehzahl des Turbinenrades mit der notwendigen Genauigekti zu regulieren, um sie an eine verhältnismässig konstante Erregungsfrequenz anzupassen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Schwierigkeit zu beseitigen. Erfindungsgemäss ist zu diesem Zweck das Verfahren der eingangs erwähn- ten Art dadurch gekennzeichnet, dass das Rad mit einer bestimmten Drehzahl rotiert wird und elektri- sche Impulse von einem odes. angeregt durch einen Impulageber, der Impulse einer zur Wellendrehzahl proportionalen Frequenz erzeugt, in einem Multiple- kationsmischgepät mit Impulsen von einem stationä- ren Oszillator gemischt werden, wobei eine Komponente der Ausgangsspannung des Mischgerätes über einen Leistungsverstärker an eine elektromagnetische Enrichtung angelegt wird, welche dazu dient,
auf eine Ringzone des Rades periodische Kräfte : an, us- zuüben, deren Frequenz die Summe oder Differenz der Impulsfrequenzen des stationären Oszillators und des Impulsgebers, der Impulse mit einer zur Wel- lendrehzahl proportionalten Frequenz erzeugt, ist.
Die erfindungsgemasse Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besitzt eine das Rad tragende Welle, Antriebsmittel mm Drehen der Welle, Mittel zur Wahl, der Wellendrehzahl, Impulsgebermittel, die Impulse einer zur Wel lendrehzahl proportionalen Frequenz abgeben, Mittel zur Wahl eider ganzen Zahl von Impulsen pro Umdrehung der Welle, eine elektromagnetische Einrichtung, um emer Ringzone des Rades periodische Kräfte zu erteilen, einen stationären Oszillator, ein Multiplikationsmisschgerät, das Impluse vom Impuls gober und vom Oszillator mischt, um die elektromagnetische Einrichtung mit der Ausgangsspannung des Mischgsrätes zu betätigen.
Bai. einer bevorzugten Ausführungsform ist der Impulsgeber ein mit Zähnen versehenes Rad aus fenromagnetischem Material, welches im Magnetfeld eines magnetischen Tonabnehmers rotierbar ist. Bei einer anderen bevorzugten Ausfühcungsform ist der Impulsgeber ein elektro-optisches Gerät, z. B. eine Scheibe, auf welcher schwarze Kreisringe angebracht sind, deren Ränder stetigen und fallen, um eine si- nusförmige Variation der dunklen und hellen Stel len, welche mit einer Lichtquellen und einer Photozelle zusammenwirken, zu enzeugen. Das Miscbgerät kann vorteilhafterwsise den Halleffekt in einem Halbleiter benützen.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindüngsgegen- stands ist in der Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar zeigt :
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Prüfung von Rädern und
Fig. 2 eine Modifikation der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.
Gemäss der in der Fig. 1 dargestellten Vorrich- tung trägt eine Welle a, auf welcher ein zu prüfen- des Turbinenrad b starr angeordnet ist, eine Impulsgeber c, der pro Umdrehung der Welle a eine genau bestimmte ganze Zahl elektrischer Impulse erzeugt, so dass die Impulsfrequenz proportional der Drehgeschwindigkeit der Welle b ist. Diese Zahl kann durch einen Bedienungsmann. gewählt werden.
Die Welle a wird mittels eines Elektromotors d angetrieben, der über einen Drehzahlregler f an ein elektrisches Netz e angeschlossen ist, so dass'die Welle b mit regulierbarer Drehzahl angetrieben werden kann.
Die Impulse vom Generator c sowie auch Idlie Ausgangsimpulse eines feststehenden Tonfrequenzgenerators h werden einer Multiplikationsmischein- richtung zugeleitet. Die Ausgamgsgrösse der Mischeinrichtung g, d. h. eine Wechselspannung mit Komponenten, derern Frequenz entweder die Summe oder die Differenz der Frequenzen der Eingangssignale ist, wird dann über einen Leistungsverstärker f einer Elektromageneteinrichtung j zugeleitet, welche dazu dient, auf leine Ringzone des zu prüfenden Turbi nenradie. s b im Takt Kräfte auszuüben.
Je nachdem, ob die. Durchgeansfrequenz der Summen- oder der Differenzfrequenz der Mischein- richtung entspricht, wild entweder die hinlaufende oder die rücklaufende Welle durch Resonanz aufgebaut, wobei die hinlaufende Welle die Schwin- gungsform ist, die sich vom ruhenden Beobachter aus in Drehrichtung mit Summenfrequenz fort pflanzt, oder mit anidern Worten, in diesem Zustand dreht sich das Rad mit einer überkritischen Tourenzahl, während sich die e rücklaufende Welle vom ruhenden Beobachter aus gagen den Raddrehsinn mit Differenzfrequenz fortpflanzt, mit ändern Wor- ten, das Rad läuft mit einer unterkritischen Drehzahl.
Wenn die Umlaufgeschwindigkeit der Welle a schwankt, so wird die Frequenz der Ausgangsspan- nung des Mischers um das Produkt der gewählten ganzen Zahl mit der Änderung in der Drehgeschwin- digkeit schwanken.
Der Impulsgeber c kann beispielsweise ein ma gnedschos Gerät sein mit einem Zahnkranz, z. B. eine mehrlappige Nockenscbeibe bestehend aus ferromagnetischem Material, welche im konstanten Magnetfeld eines magnetischen Tonabnehmers dreht, um genau abgegrenzte Impulse abzugeben, ein Impuls pro Zahn oder Lappen. Es könnten auch meh rere Gruppen von in gleichen Abständen nahe aneinanderliegenden feinen Zähnen vorhanden sein, welche beim Passiere des Umwandlers Trägerwel- len erzeugen, welche nach Rektifizierung die Stelle , der Impulse einnehmen könnten.
Bei einer anderen Ausführung kann der Impulse geber c auch ein elektro-optisobes Gerät sein, z. B. eine Scheibe, auf welcher schwarze Kreisringe angebracht sind, deren Ränder steigen und fallen, um z. B. eine sinusförmige Variation der dunklen und hellen Stellen, welche mit einer Lichtquelle und einer Photozelle zusammenwirken,. zu erzefugen. Die Ringe können auch eine konstante Breite aufweisen, wobei sie aber längs ihrem Umfange eine variable Licht- durchlässigkeit besitzen, welche z. B. sinusförmig sein kann.
In beiden Fällen erzeugt die Photozelle folglich eine genau bestimmte ganze Zahl von elek- trischen Impulse pro Umdrehung der Spindel a, welche Anzahl proportional. der Drehzahl der Welle a ist. Diese Impulse werden der Mischeinrichtung g weitergeleitet, nie vorzugsweise den Hall effekt im einem Halblaiter benützt, wobei der Ton generator A vorzugsweise mit der Magnetfeldspule verbunden ist, so dass die Eingangsimpulse vom Im- pulsgeber c einem der Elektrodenpaare zugeleitet werden, das mit dem Halbleiter des Halleffekt- Mischgerätes verbunden ist, wobei die resultierende Ausgangsspannung am andern Elektrodenpaar er- zeugt wird.
Diese Ausgangaspannung wird anschlie- ssend mittels eines Leistungsverstärkeis i verstärkt, bevor sie an die elektromagnetische Einrichtung i angelegt wird.
Gemäss der Fig. 2 ist das Mischgerät der stationären Schwingungen vom Tongenerator h mit dem Impulsgeber auf der Welle a in einem Teil k ver eint. Falls im Impulsgeber ein magnetisches Gerät verwendet wird, so können die stationären Schwin- gungen vom Tongenerator h benutzt werden, um das Magnetfeld eines im magnetischen Tonabnehmer angeordneten Elektromagneten zu modulieren, so dass die resultierenden Impulse vom Teil k ein Misohprodukt der vom Zahnkranz aus ferromagnetisohem Material erzeugten Impulse und der stationären Schwingungen vom Tongenerator h sind.
Falls nun als Impulsgeber ein elektro-optisches Gerät benützt wird, so kann, die Intensität des Licht- stroms, welche durch die Lichtiquelle oder die Antriebsspannung der Photozelle erzeugt wind, durch die stationären Schwingungen des Tongenerators h maduliert werden. Im ersten Fall kann eine Gasentladungslampe die Lichtiquelle sein, durch welche ein Momentanstrom geht, wobei dieser Momentan- strom, welcher (die Lichtquelle aktiviert, durch die stationären Schwingungen vom Tongenerator h mo duliert werden kann. Im zweiten Fall können die stationären Schwingungen vom Tongenerator h dazu benützt werden, um die Antriebsspannung der Photozelle zu modulieren.
Da aber die meisten Mischgeräte dazu neigen, nicht nur die gewünschte Summe und Frequenzen, sondern auch andere Frequenzen zu erzeugen, ist es gewöhnlich wünschenswert, das Ausgangssignal zu sieben, indem man es durch einen Tonfilter, z. B. einen Wellenanalysator, leitet.
Bei einer Arbeitsweise wird mit dieser Prüfanlage folgendermassen vorgegangen :
Zuerst werden mit dem ruhenden Rad die Eigenfrequenzenn des Rades und die beigeondnete Sohwingungsordnung bestimmt, d. h. die ganze Zahl der Wellen, welche bei Resonanz genau in den Umfang passen.
Die e Eigenfrequenzen des Rades können beispiels- weise dadurch gemessen werden, dass das stillste hende Rad in ein durch Wechselstrom erregtes Ma gnetfeld gebracht wird, wobei die Wechselstromfre- quenz varüert wird, bis sich Resonanz einstellt, was sich durch einen entsprechenden, singendent Ton bemerkbar macht. Die Knoten dieser stehenden Welle lassen sich mit den Fingerspitzen durch Abtasten oder mittels eines Stethoskops ermitteln, und aus der Zahl der Knoten lässt sich die Schwingungs- ordnung feststellen. Anschliessend wird die Frequenz des Wechselstroms gesteigert, bis sich die nächste Eigenfrequenz z einstellt.
Dann wird das Rad auf einer Zahl bestimmter Geschwindigkeiten. gedreht, wobei jede so konstant, wie der Umlaufregler es gestattet, gehalten wird, und der Mehrfachwähler des Impulsgebers wird nacheinander auf Vervielfältigungsfak- toren von 2, 3, 4... n eingestellt (gewöhnlich über schreitet n mcht 10). Dann wird die Frequenz des stationären Tongenerators. so eingestellt, dass im ro- tierende, nden Rad Resonanz entsteht und die Frequenz bestimmt ist. Diese Frequenz wird in der Regel etwas höher sein als diejenige, welche bei ruhendem Rad für eine Schwingungsordnung entsprechend dem Vervielfältigungsfaktor des Impulsgebers gefunden wurde.
Aus der Differenz der Frequenzen bei ruhendem und bei umlaufendem Rad kann der effektive Versteilfungseffekt der Zentrifugalkräfte bestimmt werden.
Anderseits können der stationäre Tongenerator , und der r Mehrfachwähler eingestellt sein, wobei die Drehzahl variiert wird, bis Resonanz entsteht, worauf die Momentangeschwindigkeit gemessen wird.