DE102008052904A1 - Method for determining mechanical properties of a blading - Google Patents
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Abstract
Mechanische Eigenschaften einer Beschaufelung lassen sich ermitteln, indem die Beschaufelung im Ruhezustand optisch vermessen wird (S10), die hierbei gewonnenen Daten aufbereitet werden und aufgrund der aufbereiteten Daten ein Finite-Elemente-Verfahren durchgeführt wird (S16). Insbesondere lassen sich Eigenschwingungen von einzelnen Schaufeln einer Blisk ermitteln, ohne dass die Blisk in Betrieb gesetzt werden muss.The mechanical properties of a blading can be determined by optically measuring the blading in the quiescent state (S10), processing the obtained data and performing a finite element method based on the prepared data (S16). In particular, natural oscillations of individual blades of a blisk can be determined without the blisk having to be put into operation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln bestimmter mechanischer Eigenschaften eines mit Schaufeln versehenen Bauteils einer Turbomaschine, einer so genannten Beschaufelung. Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Ermitteln von mechanischen Eigenschaften einer so genannten Blisk, also eines integralen beschaufelten Rotors.The The invention relates to a method for determining certain mechanical Properties of a vaned component of a turbomachine, a so-called blading. The method is particularly suitable for determining mechanical properties of a so-called Blisk, so an integral bladed rotor.
Bei den mit Schaufeln versehenen Bauteilen einer Turbomaschine wie etwa einer Blisk können die einzelnen Schaufeln voneinander abweichende Eigenschaften haben. Wünschenswert ist, wenn sämtliche Schaufeln die gleichen Schwingungseigenfrequenzen für mechanische Schwingungen haben. Beim Betrieb der Turbomaschine verteilt sich dann die Energie bei Durchlaufen dieser Schwingungseigenfrequenzen auf sämtliche Schaufeln. Nachteilig ist es hingegen, wenn die Schaufeln unterschiedliche Schwingungseigenfrequenzen haben. Gibt es an einer Beschaufelung einzelne Schaufeln, die Schwingungseigenfrequenzen aufweisen, die die anderen Schaufeln nicht haben, so nimmt diese Schaufel im Resonanzfall, wenn also eine Eigenfrequenz durchlaufen wird, besonders viel Energie vom Gesamtsystem auf und zeigt Schwingungen mit besonders hoher Amplitude, was zu einem instabilen Betrieb führt und zu einer Gefährdung des Bauteils führen kann. Es ist nun wünschenswert, dieses so genannte Mistuning an einer Beschaufelung rechtzeitig zu erkennen.at the vaned components of a turbomachine such as A blisk allows the individual blades from each other have different properties. Desirable, though all blades have the same vibration natural frequencies for mechanical vibrations. When operating the turbomachine then the energy is distributed when passing through these natural vibration frequencies on all blades. It is disadvantageous, however, if the blades have different vibration natural frequencies. Is there a blade on individual blading, the vibration natural frequencies that do not have the other blades, so this takes Shovel in case of resonance, so if pass through a natural frequency gets a lot of energy from the overall system and shows vibrations with a particularly high amplitude, which leads to unstable operation and can lead to a risk to the component. It is now desirable, this so-called Mistuning to recognize a blading in time.
Im
Stand der Technik kann man die Schwingungseigenfrequenzen der Schaufeln
lediglich experimentell ermitteln, die Schaufel muss also aufwändig vermessen
werden. So beschreibt beispielsweise die
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Ermitteln von mechanischen Eigenschaften einer Beschaufelung zu erleichtern.It The object of the invention is to determine mechanical properties to facilitate a blading.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten gemäß Patentanspruch 1 gelöst.The Task is by a method with the steps according to claim 1 solved.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit die Schritte:
- – Gewinnen eines Messpunkt-Datensatzes durch Bestrahlen der Oberfläche des ruhenden Bauteils mit Licht und Detektieren des von der Oberfläche hierbei abgestrahlten Lichts,
- – Aufbereiten des Messpunkt-Datensatzes zum Ermöglichen einer Anwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens,
- – Durchführen eines Finite-Elemente-Verfahrens anhand des aufbereiteten Datensatzes und hierdurch Erhalt einer Information zu den bestimmten mechanischen Eigenschaften.
- Obtaining a measurement point data set by irradiating the surface of the stationary component with light and detecting the light emitted thereby from the surface,
- Preparing the measurement point dataset to allow application of a finite element method,
- Performing a finite element method on the basis of the processed data record and thereby obtaining information on the specific mechanical properties.
Die Erfindung kombiniert eine optische Vermessung der Beschaufelung mit einer Auswertung des hierbei gewonnenen Messpunkt-Datensatzes durch ein Finite-Elemente-Verfahren. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bestimmte mechanische Eigenschaften eines Körpers aufgrund seiner Form im Ruhezustand durch ein Finite-Elemente-Verfahren ermittelbar sind. Im vorliegenden Fall muss die Beschaufelung nicht in aufwendiger Weise im Betrieb beobachtet werden, sondern kann im ruhenden Zustand optisch abgetastet werden. Dies ist in unaufwendiger Weise durchführbar. Die nachfolgende Auswertung erfolgt durch Computerprogramme, die keinen großen Kostenaufwand bedeuten.The Invention combines optical measurement of the blading with an evaluation of the measurement point data set obtained in this case a finite element method. The invention is based on the knowledge that certain mechanical properties of a body due to its shape at rest by a finite element method can be determined. In the present case, the blading does not have can be observed in a complex manner in operation, but can be optically scanned in the dormant state. This is in unaufwendiger Way feasible. The following evaluation takes place through computer programs that are no big expense mean.
Außer die Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln zu ermitteln, kann das Verfahren auch dazu eingesetzt werden, eine elastische Rückstellkraft der einzelnen Schaufeln bei Beaufschlagung des Bauteils mit Kraft zu ermitteln. Diese so genannte statische Auslastung der Schaufeln, insbesondere ihre Verformung bei Beaufschlagung mit Gas unter hohem Druck, ist für die Prüfung auf die Tauglichkeit für Betriebsbedingungen in vorteilhafter Weise ermittelbar.Except determine the vibration natural frequencies of the individual blades, The method can also be used to an elastic restoring force of the individual blades when force applied to the component to investigate. This so-called static load of the blades, in particular their deformation when exposed to gas under high Pressure, is for testing for fitness for operating conditions can be determined advantageously.
Die Finite-Elemente-Verfahren benötigen einen Datensatz zugeordnet zu einem Gitter. Das Ableiten eines solchen Gitters wird im Fachgebiet als „Vernetzen” bezeichnet. Umfasst der Messpunkt-Datensatz die Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche des Bauteils, kann das Aufbereiten sowohl ein so genanntes strukturiertes Vernetzen als auch alternativ ein so genanntes unstrukturiertes Vernetzen umfassen.The Finite element methods require a record associated with it to a grid. The derivation of such a grid is in the art referred to as "networking". Includes the measurement point dataset the coordinates of points on the surface of the component, The processing can be both a so-called structured networking as well as alternatively a so-called unstructured networking include.
Im Rahmen des Aufbereitens des Messpunkt-Datensatzes kann auf die konkrete Geometrie des Bauteils eingegangen werden. Wenn insbesondere die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Schaufeln im Zentrum des Interesses stehen, bietet es sich an, zu jeder Schaufel einzeln eine Analyse durchzuführen. Hierzu kann im Schritt des Aufbereitens vorgesehen sein, dass Messpunktgruppen aus dem Messpunkt-Datensatz herausgenommen werden, wobei jede Messpunktgruppe einer Schaufel zugeordnet ist. Dieses Herausnehmen kann zu einzelnen Schaufeln erfolgen, bevorzugt erfolgt es zu jeder Schaufel. Das Aufbereiten kann im Weiteren anhand jeder Messpunktgruppe einzeln erfolgen, vorliegend also kann ein strukturiertes oder unstrukturiertes Vernetzen aufgrund der einzelnen Messpunktgruppen erfolgen. Das Durchführen eines Finite-Elemente-Verfahrens impliziert dann, dass jeweils ein Finite-Elemente-Verfahren für jede einzelne aufbereitete Messpunktgruppe durchgeführt wird.As part of the preparation of the measuring point data set can be discussed on the specific geometry of the component. In particular, if the mechanical properties of the individual blades are in the center of interest, it is advisable to carry out an analysis individually for each blade. For this purpose, it can be provided in the step of processing that measuring point groups are taken out of the measuring point data set, wherein each measuring point group is assigned to a blade. This removal can be done to individual blades, preferably it is done to each blade. In addition, the processing can be carried out individually on the basis of each measuring point group, in the present case a structured or unstructured crosslinking on the basis of the individual measuring point groups can take place. Performing a finite element method then implies that one fini te-element method is carried out for each individual processed measuring point group.
Beim optischen Vermessen kann jegliches Verfahren eingesetzt werden, bei dem eine Oberfläche abgetastet wird. Solche Verfahren wurden zum Beispiel zur Strukturerkennung, insbesondere zur Gesichtererkennung, entwickelt. Ein besonderes einfaches solches Verfahren macht Gebrauch von zwei getrennt aufgestellten Kameras, die jeweils aus unterschiedlicher Perspektive ein Lichtbild oder mehrere Lichtbilder des Objekts, vorliegend also der Beschaufelung, aufnehmen. Aus den Lichtbildern beider Kameras können dann die Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche des Bauteils berechnet werden. Das Bestrahlen der Oberfläche des Bauteils mit Licht kann diesen Berechnungsschritt erleichtern, wenn Beleuchtungsstärke und Beleuchtungsrichtung passend gewählt sind, so dass zum Beispiel ein bestimmter Schattenwurf gegeben ist, der bei der Berechnung der Oberfläche einbezogen werden kann, insbesondere wenn diese stark konturiert ist.At the optical measurement can be used any method in which a surface is scanned. Such procedures were used, for example, for structure recognition, in particular for face recognition, developed. A special simple such method makes use from two separate cameras, each one different Perspective a photograph or multiple photographs of the object, So here the blading, record. From the photographs Both cameras can then use the coordinates of points be calculated on the surface of the component. The irradiation The surface of the component with light can perform this calculation step facilitate, if illuminance and lighting direction suitable are chosen, so for example, a certain shadow which is included in the calculation of the surface can be, especially if it is strongly contoured.
Wie eingangs erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere vorteilhaft zum Ermitteln von mechanischen Eigenschaften einer Blisk, also eines integralen beschaufelten Rotors. Insbesondere nach Herstellung einer Blisk und vor ihrem (möglichen) Einsatz ist es wünschenswert, über die Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln bescheid zu wissen.As mentioned in the beginning, is the invention Method particularly advantageous for determining mechanical Characteristics of a blisk, so an integral bladed rotor. Especially after making a blisk and before its (possible) Use, it is desirable over the vibration natural frequencies to know the individual blades.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die einzige Figur die Schrittfolge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.following is a preferred embodiment of the invention below Referring to the drawing, the single figure is the sequence of steps a preferred embodiment of the invention Procedure shows.
Bei dem anhand der Figur erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren soll eine Blisk auf die Schwingungseigenfrequenzen der an ihr befindlichen Schaufeln untersucht werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren müssen die Schwingungseigenfrequenzen nicht angeregt werden, sondern die Blisk kann vollständig in Ruhe verbleiben.at the invention explained with reference to the figure Procedure is a blisk on the vibration natural frequencies of the be examined on her blades. In the inventive Procedures do not have the natural vibration frequencies excited but the blisk can remain completely at rest.
Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit dem Schritt S10, dem optischen Vermessen der Blisk, wobei sich diese hierbei in Ruhe befindet. Auf die Blisk werden bestimmte Lichtmuster gestrahlt, und die Blisk wird aus zwei unterschiedlichen Perspektiven jeweils mit einer Kamera fotografiert. Aus den Kamerabildern lassen sich dann Koordinaten für eine Vielzahl von Messpunkten auf der Oberfläche der Blisk berechnen. Man erhält somit einen Messpunkt-Datensatz.The inventive method begins with the step S10, the optical measurement of the blisk, whereby this hereby is at rest. On the blisk certain patterns of light are blasted, and The Blisk will come from two different perspectives respectively photographed by a camera. From the camera images can then be Coordinates for a variety of measurement points on the surface of the Calculate blisk. One thus obtains a measuring point data record.
Mit Hilfe dieses Messpunkt-Datensatzes lassen sich nun 3D-Darstellungen der Blisk auf einem Bildschirm berechnen. Der Messpunkt-Datensatz betrifft die Blisk als Ganzes. Von Interesse sind jedoch die Eigenschaften der einzelnen Schaufeln der Blisk. Daher ist es zweckmäßig, eine Analyse Schaufel für Schaufel durchzuführen. Diese Analyse kann aufgrund der den Schaufeln jeweils zugeordneten Messpunkten aus dem Messpunkt-Datensatz erfolgen, es kann also eine Messpunktgruppe aus dem Messpunkt-Datensatz Schaufel für Schaufel herausgenommen werden. Bei einer 3D-Darstellung entspricht dies einem Herausschneiden eines 3D-Bereichs aus dem Objekt. Dieses Zuschneiden des Objekts kann beispielsweise so erfolgen, dass aus der Blisk zunächst ein Scheibensegment herausgeschnitten wird, indem zwei Flächen (z. B. Ebenen) definiert werden, wobei zum Herausschneiden einer einzelnen Schaufel zwei Flächen verwendet werden, von denen eine Fläche jeweils durch Drehung der anderen Fläche um die Rotationsachse der Blisk um einen Winkel von 360°/n hervorgeht, wobei n die Gesamtzahl der Schaufeln bei gleicher Winkelbeabstandung der Schaufeln auf der Blisk ist. Ein solches Scheibensegment umfasst noch den Kern des Rotors. Dieser kann durch Setzen eines Kegels beziehungsweise eines Ringraums herausgeschnitten werden. Das Herausschneiden kann so aussehen, dass an dem herausgeschnittenen Teil zu jeder Schaufel noch ein Fußbereich verbleibt (also dass Messpunkte aus dem Messpunkt-Datensatz für einen solchen Fußbereich in der herausgenommenen Messpunktgruppe enthalten sind). Es kann auch an jede herausgeschnittene Schaufel ohne Fußbereich ein modellierter Fußbereich angesetzt werden.With Help of this measuring point dataset can now be 3D-representations calculate the blisk on a screen. The measuring point data set concerns the blisk as a whole. Of interest, however, are the properties the individual blades of the blisk. It is therefore appropriate to carry out an analysis scoop by scoop. This analysis may be due to the blades associated with each Measuring points from the measuring point record done, so it can be a Measuring point group from the measuring point data set Schaufel for Shovel be taken out. In a 3D representation, this is equivalent cutting out a 3D area from the object. This cropping of the object can be done, for example, that from the blisk first a slice segment is cut out by two surfaces (eg, planes) are defined, with the Cut out a single scoop using two surfaces of which one surface each by rotation of the another surface about the axis of rotation of the blisk at an angle of 360 ° / n, where n is the total number of blades is at the same angular spacing of the blades on the blisk. Such a disk segment still comprises the core of the rotor. This one can cut out by setting a cone or an annulus become. The cutting can look like that on the cut out Part to each blade still a foot area remains (ie that measuring points from the measuring point data set for such Include footer in the removed measurement point group are). It can also attach to any cut out blade without foot area a modeled footer be set.
Im Ergebnis erhält man durch einen Schritt S12 des Zuschneidens einen Messpunkt-Datensatz für jede Schaufel einzeln.in the The result is obtained by a step S12 of the trimming one measurement point record for each blade individually.
Der Messpunkt-Datensatz für jede Schaufel einzeln erlaubt noch nicht das Durchführen einer Analyse auf die Eigenschwingungen. Um ein Finite-Elemente-Verfahren durchführen zu können, muss eine Aufbereitung des Datensatzes erfolgen. Im Rahmen einer Diskretisierung wird ein Gitter abgeleitet. Im vorliegenden Fall bezeichnet man den hierbei durchzuführenden Schritt S14 als Vernetzen. Der Messpunkt-Datensatz zu jeder Schaufel kann mit einem unstrukturierten Vernetzer, wie er z. B. von der Firma ANSYS® unter dem Namen ICEM bekannt ist, vernetzt werden. Genauso kann die Oberfläche, die durch den jeweiligen Messpunkt-Datensatz definiert ist, automatisch mit bestimmten Programmen strukturiert vernetzt werden.The measurement point data set for each blade individually does not yet allow to perform an analysis on the natural vibrations. In order to be able to perform a finite element method, the data set must be processed. As part of a discretization, a grid is derived. In the present case, the step S14 to be carried out here is referred to as crosslinking. The measurement point dataset for each blade can be compared with an unstructured crosslinker, as z. B. by the company ANSYS ® under the name ICEM is known to be networked. In the same way, the surface defined by the respective measuring point dataset can be automatically networked with certain programs in a structured way.
Unabhängig davon, ob ein unstrukturiertes oder ein strukturiertes Vernetzen erfolgt, kann nun in Schritt S16 zu jeder Schaufel ein Finite-Elemente-Verfahren angewendet werden, das als Rechenergebnis Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln ausgibt.Independently whether unstructured or structured networking Now, in step S16, a finite element method can be added to each blade be applied, as the result of calculation natural vibration frequencies of the individual blades.
In einem abschließenden Schritt S18 werden diese in Schritt S16 erhaltenen Informationen zusammengeführt, nämlich für alle Schaufeln der Blisk. Die Zusammenführung kann in vereinfachter Weise durch Erstellen einer Tabelle erfolgen oder aufwendiger in einer Auflistung der Schwingungseigenfrequenzen zugeordnet zu den einzelnen durchnummerierten Schaufeln.In a final step S18, these are in step S16 received information, namely for all shovels the blisk. The merge can be done in a simplified way by creating a table or more complex in a listing of the vibration natural frequencies assigned to the individual numbered blades.
Aufgrund der zusammengeführten Informationen lässt sich überprüfen, ob die Blisk überhaupt für den Betrieb tauglich ist, das erfindungsgemäße Verfahren dient also einer Qualitätskontrolle. Bei tauglicher Blisk lassen sich die Schwachstellen der Blisk ermitteln. Insbesondere lässt sich feststellen, ob die Blisk ein besonders starkes Mistuning zeigt, die Schwingungseigenfrequenzen der Schaufeln also stark streuen, oder ob umgekehrt die Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln nah beieinander liegen.by virtue of the merged information can be checked whether the blisk is suitable for operation at all is, the method of the invention thus serves a quality control. With suitable Blisk can be determine the weak points of the blisk. In particular, lets determine if the blisk shows a particularly strong mistuning so strongly scatter the vibrational natural frequencies of the blades, or conversely, the vibration natural frequencies of the individual blades lie close to each other.
Prinzipien des anhand der Figur erläuterten Verfahrens (optisches Vermessen, Aufbereiten durch Zuschneiden und Vernetzen, Durchführen eines Finite-Elemente-Verfahrens) können auch zum Ableiten anderer mechanischer Eigenschaften eingesetzt werden, beispielsweise kann ermittelt werden, wie stark sich die einzelnen Schaufeln bei Beaufschlagung mit Gasdruck verformen. Die Prinzipien des beschriebenen Verfahrens sind auch auf andere Beschaufelungen als Blisks anwendbar.principle of the explained with reference to the figure method (optical Measuring, processing by cutting and crosslinking, performing a finite element method) can also be used to derive other mechanical properties can be used, for example To determine how strong the individual blades are when acted upon deform with gas pressure. The principles of the described method are also applicable to blading other than blisks.
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