DE102009010375A1 - Apparatus and method for determining the vibration behavior of an integrally bladed stator or rotor disk - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Erfassen eines Schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten Stator- oder Rotorscheibe (10) werden eine erste Phasenbeziehung und eine zweite Phasenbeziehung definiert. Eine erste Schaufel (14) der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) wird mit der ersten vorbestimmten Phasenbeziehung zu einem Referenzsignal angeregt. Eine zweite Schaufel (15) der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) wird mit der zweiten vorbestimmten Phasenbeziehung zu dem Referenzsignal angeregt. Eine Schwingung der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) wird in zeitlichem Bezug zu dem Referenzsignal erfasst.In a method of detecting vibration behavior of an integrally bladed stator or rotor disk (10), a first phase relationship and a second phase relationship are defined. A first blade (14) of the stator or rotor disk (10) is excited with the first predetermined phase relationship to a reference signal. A second blade (15) of the stator disk (10) is excited with the second predetermined phase relationship with the reference signal. An oscillation of the stator or rotor disk (10) is detected in temporal relation to the reference signal.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen des Schwingungsverhaltens der einzelnen Schaufeln einer integral beschaufelten Stator- oder Rotorscheibe und/oder der gesamten integral beschaufelten Stator- oder Rotorscheibe für eine Verdichter- oder eine Turbinenstufe einer Gasturbine oder eines Turbinentriebwerks für eine mobile oder stationäre Anwendung.The The present invention relates to a device and a Method for detecting the vibration behavior of the individual blades an integrally bladed stator or rotor disc and / or the entire integrally bladed stator or rotor disk for a compressor or a turbine stage of a gas turbine or a Turbine engine for a mobile or stationary Application.
Rotorscheiben für Verdichter- oder Turbinenstufen von Gasturbinen oder Turbinentriebwerken für mobile oder stationäre Anwendungen wurden lange Zeit aus mehreren separat gefertigten Stücken gebaut. Insbesondere wurden die Rotorschaufeln formschlüssig mit einer Scheibe bzw. Nabe verbunden. Zunehmend werden jedoch integral beschaufelte Rotorscheiben verwendet, zunächst in Verdichterstufen, dann in Niederdruckturbinen und nun auch in Hochdruckturbinen. Manchmal werden die Rotorschaufeln separat gefertigt und dann beispielsweise mittels eines Reibschweißverfahrens stoffschlüssig mit der Nabe verbunden. In ähnlicher Weise werden zunehmend auch Statorscheiben integral beschaufelt.rotor discs for compressor or turbine stages of gas turbines or Turbine engines for mobile or stationary Applications have long been made up of several separately manufactured pieces built. In particular, the rotor blades were form-fitting connected to a disc or hub. Increasingly, however, they are becoming integral used bladed rotor disks, first in compressor stages, then in low-pressure turbines and now also in high-pressure turbines. Sometimes The rotor blades are manufactured separately and then, for example cohesively by means of a friction welding process connected to the hub. Similarly, becoming increasingly Also stator blades are bladed integrally.
Im Gegensatz zu gebauten Stator- bzw. Rotorscheiben weisen integral beschaufelte Stator- bzw. Rotorscheiben (engl.: bladed disks; kurz: Blisks) ein ausgeprägtes System-Eigenschwingungsverhalten auf. Da die Schaufeln einer integral beschaufelten Stator- bzw. Rotorscheibe nie völlig identische Eigenschaften aufweisen, unterscheiden sich ihre Eigenfrequenzen bei mechanischen Schwingungen geringfügig, typischerweise um wenige Prozent oder weniger. Aus diesem geringfügig unterschiedlichen Schwingungsverhalten resultieren in Resonanzen stark unterschiedliche Schwingungsamplituden der einzelnen Schaufeln. Diese Amplitudenüberhöhungen, typischerweise um einen Faktor 2 bis 5, manchmal aber auch mehr, müssen quantitativ auf einem Prüfstand erfasst werden.in the Unlike built stator or rotor disks have integral bladed stator or rotor disks (English: bladed disks; Blisks) a pronounced system natural vibration behavior on. Since the blades of an integrally bladed stator Rotor disc never have completely identical properties, their natural frequencies differ slightly in mechanical vibrations, typically by a few percent or less. For this slightly different vibration behavior resulting in resonances strong different vibration amplitudes of the individual blades. These amplitude peaks, typically around a factor of 2 to 5, but sometimes more, must be quantitative be recorded on a test bench.
Angeregt werden Schwingungen einer Rotorscheibe unter Anderem dadurch, dass der Gasstrom, in dem sie rotieren, nicht homogen und nicht einmal perfekt axialsymmetrisch ist. Durch benachbarte Bauteile, insbesondere stromaufwärts oder stromabwärts der Rotorscheibe angeordnete Statorschau feln oder andere Einrichtungen wird der Gasstrom räumlich moduliert. Jede einzelne Schaufel der rotierenden Rotorscheibe ist deshalb variierenden, insbesondere oszillierenden Kräften ausgesetzt. Während einer vollen Umdrehung der Rotorscheibe sind alle Rotorschaufeln annähernd den gleichen, in gleicher Weise als Funktion der Zeit variierenden Kräften ausgesetzt, jedoch abhängig von ihrer Position an der Rotorscheibe zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Anders ausgedrückt sind die zeitabhängigen Kräfte auf die einzelnen Rotorschaufeln einer rotierenden Rotorscheibe gegeneinander phasenversetzt. Entsprechendes gilt für die Kräfte, die auf die einzelnen Statorschaufeln einer Statorscheibe wirken.animated Among other things, vibrations of a rotor disk are caused by the gas stream in which they rotate is not homogeneous and not even is perfectly axisymmetric. By neighboring components, in particular upstream or downstream of the rotor disk arranged stator blades or other devices is the gas flow spatially modulated. Every single scoop of the rotating Rotor disc is therefore varying, in particular oscillating Exposed to forces. During a full turn the rotor disk are all the rotor blades approximately the same, equally as a function of time varying forces but depending on its position on the rotor disk at different times. In other words the time-dependent forces on the individual rotor blades a rotating rotor disc out of phase with each other. The same applies to the forces acting on the individual stator blades a stator disc act.
Der
Artikel
Die
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Computer-Programm zum Bestimmen eines Schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten Stator- bzw. Rotorscheibe zu schaffen.A The object of the present invention is to provide a device a method and a computer program for determining a vibration behavior to provide an integrally bladed stator or rotor disc.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.These Task is by the objects of the independent Claims solved.
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.further developments are indicated in the dependent claims.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Idee, Schaufeln einer Stator- oder Rotorscheibe mit verschiedenen oder auch gleichen vorbestimmten Phasenbeziehungen relativ zu einem Referenzsignal anzuregen und eine resultierende Schwingung der Stator- bzw. Rotorscheibe in zeitlichem Bezug zu dem Referenzsignal zu erfassen. Der zeitliche Bezug der Erfassung der Schwingung zu dem Referenzsignal wird beispielsweise dadurch hergestellt, dass diskrete Zeitpunkte, zu denen Messwerte erfasst werden, eine oder mehrere vorbestimmte Phasenbeziehungen (mod 2π) zu dem Referenzsignal haben.Various Embodiments of the present invention are based on the idea of paddling a stator or rotor disk with different or also same predetermined phase relationships relative to a reference signal excite and a resulting vibration of the stator or rotor disk in temporal relation to the reference signal. The temporal Reference of the detection of the oscillation to the reference signal, for example produced by that discrete points in time, to which measured values are detected, one or more predetermined phase relationships (mod 2π) to the reference signal.
Die Schwingung wird beispielsweise Laser-vibrometrisch erfasst, wobei nacheinander – oder bei Verwendung mehrerer Laser-Vibrometer gleichzeitig oder teilweise gleichzeitig – die Schwingung an einer Mehrzahl vorbestimmter Punkte bzw. Orte an der Stator- bzw. Rotorscheibe erfasst wird. Dazu kann ein scannendes Laser-Vibrometer verwendet werden, wie es beispielsweise von der Firma Polytec in einigen Varianten angeboten wird.The vibration is detected, for example, by laser vibrometry, with one after the other - or when using multiple laser vibrometer simultaneously or partially simultaneously - the vibration is detected at a plurality of predetermined points or locations on the stator or rotor disk. For this purpose, a scanning laser vibrometer can be used, as offered for example by the company Polytec in some variants.
Jede Schaufel kann durch einen zugeordneten Schallerzeuger angeregt werden, der mit der Schaufel über Luft oder ein anderes Fluid gekoppelt ist.each Bucket can be excited by an associated sound generator, which is coupled to the blade via air or another fluid.
Um sicherzustellen, dass alle Schaufeln mit der gleichen Amplitude und möglichst genau mit der jeweils vorbestimmten Phasenbeziehung angeregt werden, können die Schallerzeuger und deren vorgeschaltete Einrichtungen kalibriert werden. Dazu wird zunächst ein Mikrofon in eine definierte räumliche Anordnung relativ zu einem zu kalibrierenden Schallerzeuger gebracht. Unter einem Mikrofon ist hier und im Folgenden jede Einrichtung zum Erfassen eines Schalldrucks und/oder einer Phase von Schall zu verstehen. Der Schallerzeuger wird angesteuert, um Schall zu erzeugen, der von dem Mikrofon erfasst wird. Anhand eines Vergleichs von Ist- und Soll-Werten wird der Schalldruck und/oder die Phase des vom Schallerzeuger erzeugten Schalls kalibriert. Eine solche Kalibrierung kann automatisch erfolgen. Bei einem Kalibriervorgang kann jeder Schallerzeuger für mehrere Frequenzen kalibriert werden. Die so gewonnenen Kalibrierfaktoren werden beispielsweise in Form eines Arrays gespeichert. Alternativ oder zusätzlich kann jeder Schallerzeuger vor und/oder nach Verwendung einer bestimmten Frequenz für diese kalibriert werden.Around Make sure all blades with the same amplitude and as accurately as possible with the respective predetermined phase relationship can be stimulated, the sound generator and its upstream Facilities are calibrated. This is first a Microphone in a defined spatial arrangement relative brought to a sound generator to be calibrated. Under a Microphone is here and below any means of detecting to understand a sound pressure and / or a phase of sound. The sound generator is controlled to produce sound that is detected by the microphone. Based on a comparison of actual and Target values are the sound pressure and / or the phase of the sound generator calibrated generated sound. Such a calibration can be done automatically. In a calibration process, each sound generator for several frequencies are calibrated. The calibration factors thus obtained are stored, for example, in the form of an array. alternative or in addition, each sound generator before and / or calibrated after using a specific frequency for this become.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können je nach Anwendung eine Reihe von Vorteilen aufweisen. Insbesondere wird eine schnelle und teilweise oder vollständig automatisierte Bestimmung der Amplitudenüberhöhung für einen großen Frequenzbereich und zahlreiche Phasenkonfigurationen ermöglicht oder vereinfacht. Durch die Erfassung der Schwingung in zeitlichem Bezug zu dem Referenzsignal, zu dem die Anregungen der Stator- bzw. Rotorschaufeln in vorbestimmten Phasenbeziehungen stehen, können auch bei einer sequenziellen Abtastung vieler Messpunkte Phasenbeziehungen zwischen den Schwingungen an den einzelnen Messpunkten erfasst werden. Damit ist nicht nur lokal, sondern für die gesamte Stator- bzw. Rotorscheibe eine quantitative und nicht nur qualitative Analyse des Schwingungsverhaltens möglich. Die auch in einen automatisierten Ablauf integrierbare Kalibrierung ermöglicht eine präzise Anregung und damit eine hohe Genauigkeit der Messergebnisse.embodiments Depending on the application, the present invention may be a Have a number of advantages. In particular, a fast and partially or fully automated determination of Amplitude overshoot for a wide frequency range and allows or simplifies numerous phase configurations. By detecting the oscillation in temporal relation to the reference signal, to which the excitations of the stator or rotor blades in predetermined Phase relations can also be found in a sequential Sampling of many measuring points Phase relationships between the oscillations be detected at the individual measuring points. This is not only locally, but for the entire stator or rotor disk a quantitative and not only qualitative analysis of the vibration behavior possible. It can also be integrated into an automated process Calibration enables precise excitation and thus a high accuracy of the measurement results.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:following Be embodiments with reference to the attached Figures explained in more detail. Show it:
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Die
Vorrichtung
Jede
Anregungseinrichtung
Ferner
umfasst die Vorrichtung
Die
Vorrichtung
Die
Vorrichtung
Die
Steuerung
Die
oben anhand der
Bei
einem ersten Schritt
Bei
einem dritten Schritt
Bei
einem vierten Schritt
Der
vierte Schritt
Bei
einem siebten Schritt
Bei
einem neunten Schritt
Die
oben anhand der
Die vorliegende Erfindung wurde überwiegend anhand einer Rotorscheibe und der Erfassung ihres Schwingungsverhaltens dargestellt. Sie ist jedoch auch auf eine Statorscheibe, insbesondere eine integral beschaufelte Statorscheibe, und die Erfassung ihres Schwingungsverhaltens anwendbar.The The present invention has been predominantly based on a rotor disk and the detection of their vibration behavior. she is but also on a stator disk, in particular an integrally bladed Stator disk, and the detection of their vibration behavior applicable.
Die vorliegende Erfindung ist als Verfahren oder als Computer-Programm mit Programmcode zur Durchführung oder Steuerung eines solchen Verfahrens, wenn das Computer-Programm auf einem Computer oder einem Prozessor abläuft, implementierbar. Ferner ist die Erfindung als Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger (beispielsweise einem ROM-, PROM-, EPROM-, EEPROM- oder Flash-Speicher, einer CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blue-Ray-DVD, Diskette oder Festplatte) oder in Form von Firmware gespeichertem Programmcode zur Durchführung von einem der genannten Ver fahren, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Computer, Rechner oder Prozessor abläuft, implementierbar. Ferner kann die vorliegende Erfindung als digitales Speichermedium (beispielsweise ROM-, PROM-, EPROM-, EEPROM- oder Flash-Speicher, CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blue-Ray-DVD, Diskette oder Festplatte) mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem programmierbaren Computer- oder Prozessor-System zusammenwirken können, dass eines der beschriebenen Verfahren ausgeführt wird, implementiert werden.The present invention is implementable as a method or computer program with program code for carrying out or controlling such a method when the computer program runs on a computer or a processor. Furthermore, the invention is as a computer program product with on a machine-readable carrier (for example, a ROM, PROM, EPROM, EEPROM or Flash memory, a CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blue-Ray DVD , Floppy disk or hard disk) or in the form of firmware chertem program code for performing any of said methods when the computer program product runs on a computer, computer or processor implementable. Further, the present invention may be used as a digital storage medium (for example, ROM, PROM, EPROM, EEPROM or flash memory, CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blu-Ray DVD, floppy or hard disk) with electronically readable control signals which may interact with a programmable computer or processor system to perform any of the described methods.
Ferner kann die vorliegende Erfindung als Steuerung implementiert werden, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um eines der beschriebenen Verfahren auszuführen, oder wobei die Steuerung ein Computer-Programm, ein Computer-Programm-Produkt oder ein digitales Speichermedium umfasst, wie sie im vorangehenden Absatz beschrieben wurden.Further For example, the present invention can be implemented as a controller. wherein the controller is adapted to one of the described methods or the controller is a computer program, includes a computer program product or a digital storage medium, as described in the previous paragraph.
- 1010
- Rotorscheiberotor disc
- 1414
- erste Rotorschaufelfirst rotor blade
- 1515
- zweite Rotorschaufelsecond rotor blade
- 2020
- Vorrichtung zum Erfassen eines Schwingungsverhaltenscontraption for detecting a vibration behavior
- 3030
- ReferenzsignaleinrichtungReference signal means
- 4040
- erste Anregungseinrichtungfirst exciter
- 4242
- Verzögerungseinrichtung der ersten Anregungseinrichtungdelay means the first excitation device
- 4444
- Verstärker der ersten Anregungseinrichtungamplifier the first excitation device
- 4646
- Schallerzeuger der ersten Anregungseinrichtungsound generator the first excitation device
- 5050
- zweite Anregungseinrichtungsecond exciter
- 5252
- Verzögerungseinrichtung der zweiten Anregungseinrichtungdelay means the second excitation device
- 5454
- Verstärker der zweiten Anregungseinrichtungamplifier the second excitation device
- 5656
- Schallerzeuger der zweiten Anregungseinrichtungsound generator the second excitation device
- 6060
- Mikrofonmicrophone
- 7070
- scannendes Laser-Vibrometer-scanning Laser vibrometer
- 7171
-
erster
Messpunkt des scannenden Laser-Vibrometers
70 first measuring point of the scanning laser vibrometer70 - 7272
-
zweiter
Messpunkt des scannenden Laser-Vibrometers
70 second measuring point of the scanning laser vibrometer70 - 7878
- Laserstrahllaser beam
- 8080
- Steuerungcontrol
- 8282
- Prozessorprocessor
- 8484
- SpeicherStorage
- 9090
- Aufspannplatteplaten
- 9292
- Halterungbracket
- 101101
- erster Schrittfirst step
- 102102
- zweiter Schrittsecond step
- 103103
- dritter Schrittthird step
- 104104
- vierter Schrittfourth step
- 105105
- fünfter Schrittfifth step
- 106106
- sechster Schrittsixth step
- 107107
- siebter Schrittseventh step
- 108108
- achter Schritteight step
- 109109
- neunter Schrittninth step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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"Travelling-wave excitation and optical measurement techniques for nun-contacting investigation of bladed disk dynamics" von J. A. Judge et al. |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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