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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, Prüfstand zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln gemäß Anspruch 7.
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Im Betrieb eines Laufrades, welches eine Mehrzahl von Laufradschaufeln des Laufrades an einer Nabe des Laufrades befestigt aufweist, wird das Laufrad in eine Drehbewegung bzw. eine Rotation versetzt. Die Laufradschaufeln erfahren, aufgrund von beispielsweise Vorleitgittern und/oder zwischen jeweils zwei nebeneinander angeordneten Laufradschaufeln durchströmendem Fluid, eine Schwingungsanregung. Je nach Drehzahl und Auslegung des Laufrades weisen die Laufradschaufeln unterschiedliche Schwingungen auf. Insbesondere bei Erreichen einer Eigenfrequenz der Laufradschaufeln kann dies zu einem Versagen des Laufrades als Folge eines Laufradschaufelbruches führen.
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Die Eigenfrequenzen von Laufradschaufeln sind daher zur Bestimmung einer Betriebssicherheit und einer Lebensdauer des entsprechenden Laufrades ausschlaggebend und bestimmen auch einen Einsatzbereich des Laufrades.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 016 369 A1 geht ein Verfahren zur Ermittlung von Schwingungsverhalten von Laufrädern hervor. Zur Messung des Schwingungsverhaltens wird im Bereich einer Schaufelspitze der Laufradschaufel eine Zusatzmasse angebracht, wobei die Zusatzmasse zu einer Verstimmung der mit der Zusatzmasse ausgestatteten Laufradschaufel führt. Aufgrund der Zusatzmasse ist somit das Schwingungsverhalten der mit der Zusatzmasse versehenen Laufradschaufel verfälscht. Der Gedanke des in der Offenlegungsschrift offenbarten Verfahrens besteht darin, alle zu einem bestimmten Zeitpunkt einer Messung nicht zu untersuchenden Laufradschaufeln mit einer Zusatzmasse zu versehen, damit die Messung der zu untersuchenden Laufradschaufel keine störenden und/oder verfälschenden Kopplungseffekte durch die anderen Laufradschaufeln hervorgerufen aufweist. Problematisch ist, dass die Zusatzmasse mit Hilfe eines Haftmittels an der entsprechenden Laufradschaufel anzubringen ist. Sofern die Zusatzmasse zuverlässig haften soll, ist ein besonders effektives Haftmittel einzusetzen, dessen Rückstände nach Entfernen der Zusatzmasse der Laufradschaufel weiterhin anhaften, sofern nicht sogar eine Schädigung der Laufradschaufel hervorgerufen wird. Wird dagegen ein leicht entfernbares Haftmittel eingesetzt, so ist ein Anhaften der Zusatzmasse nicht gewährleistet.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Laufrad zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln bereitzustellen, mit dessen Hilfe eine zuverlässige und gesicherte Bestimmung des Schwingungsverhaltens auf einfache Weise herbeiführbar ist Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Prüfstand zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln anzugeben, welcher zuverlässige und gesicherte Messwerte bezüglich des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln resultieren lässt, sowie ein zuverlässiges Verfahren zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Laufrades zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, mit einem Prüfstand zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie mit einem Verfahren zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein solches Laufrad zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln umfasst eine Mehrzahl von auf einer Nabe des Laufrades positionierten Laufradschaufeln.
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Erfindungsgemäß ist ein Kopplungselement zwischen zwei benachbart positionierten Laufradschaufeln vorgesehen, wobei die zur Messung vorgesehene Laufradschaufel weder an einer ersten Seitenfläche der Laufradschaufel noch an einer zweiten Seitenfläche der Laufradschaufel ein Kopplungselement aufweist. Mit anderen Worten sind die Laufradschaufeln miteinander mit Hilfe eines jeweils zwischen zwei benachbart positionierten Laufradschaufeln angeordneten Kopplungselementes verbunden, so dass das Schwingungsverhalten dieser gekoppelten Laufradschaufeln deutlich von dem Schwingungsverhalten der zur Messung vorgesehenen Laufradschaufel abweicht. Da das Schwingungsverhalten von einer Masse des jeweiligen, zur Schwingung angeregten Bauteils, in diesem Falle der Laufradschaufel, resultiert, ist das Schwingungsverhalten der gekoppelten Laufradschaufeln ein von der zur Messung vorgesehenen Laufradschaufel stark abweichendes Schwingungsverhalten, da eine aus der Kopplung der nicht zur Messung vorgesehenen Laufradschaufeln resultierende Gesamtmasse deutlich von der Masse der zur Messung vorgesehenen Laufradschaufel abweicht.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass mit Hilfe der Kopplung zusätzlich eine Dämpfung der Laufradschaufeln herbeigeführt ist, welche dazu führt, dass das Schwingungsverhalten der zu vermessenden Laufradschaufel separiert von den übrigen Laufradschaufeln erfassbar ist.
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Somit können ein Messergebnis verfälschende Einflüsse der nicht zur Messung vorgesehenen Laufradschaufeln einfach detektiert und eliminiert werden, so dass eine zuverlässige und gesicherte Aussage zum Schwingungsverhalten der zur Messung vorgesehenen Laufradschaufel realisierbar ist.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laufrades ist das Kopplungselement mit Hilfe einer Presspassung zwischen zwei benachbart positionierten Laufradschaufeln fixierbar. Dadurch ist vermieden, dass Haftmittelrückstände auf den entsprechenden Laufradschaufeln nach Entfernen des Kopplungselementes zurückbleiben. Es ist nicht vorgesehen, aus ökologischen und ökonomischen Gründen, das Laufrad, welches zur Messung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln herangezogen wird, nach einer Messung einer einzigen Laufradschaufel nicht mehr zu verwenden. Haftmittelrückstände können eine Beeinflussung des Schwingungsverhaltens hervorrufen, wodurch eine unzuverlässige Aussage zum Schwingungsverhalten der mit dem Haftmittel versehenen Laufradschaufel resultiert. Das bedeutet, dass sofern ein Kopplungselement mit Hilfe eines Haftmittels vorgesehen ist, das Laufrad ausschließlich zur Messung einer einzigen Laufradschaufel herangezogen werden kann, da eine zuverlässige Aussage zum Schwingungsverhalten der weiteren Laufradschaufel nicht mehr möglich ist, aufgrund der mit Haftmittel behafteten Laufradschaufeln.
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Mit Hilfe der Presspassung ist das Kopplungselement gesichert und zuverlässig zwischen den entsprechenden, benachbart positionierten Laufradschaufeln angeordnet, so dass auch bei hohen Erregerfrequenzen und Erregeramplituden das Kopplungselement sicher zwischen den beiden Laufradschaufeln zur Kopplung der Laufradschaufeln positioniert bleibt.
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Vortellhafterweise ist das Kopplungselement aus einem elastischen Material hergestellt, da damit eine besonders gesicherte Positionierung des Kopplungselementes erreichbar ist. Zur Positionierung wird das Kopplungselement zusammengedrückt, so dass es kleiner ist als ein zwischen den beiden benachbarten Laufradschaufeln vorliegender Spalt, in welchen das Kopplungselement zu positionieren ist. Nach erfolgter Positionierung kann sich das Kopplungselement im Spalt aufgrund seiner Elastizität soweit ausdehnen, bis ein Widerstand aufgrund der angrenzenden Laufradschaufeln erreicht ist. Das Kopplungselement ist gesichert im Spalt aufgenommen. Idealerweise ist das Kopplungselement aus einem Material hergestellt, welches einen Elastizitätsmodul im Bereich zwischen 200 N/mm2 und 1000 N/mm2 aufweist.
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Besonders vorteilhaft, da aufgrund seiner Oberflächenbeschaffenheit zusätzlich eine Haftreibung zwischen Oberflächen der Laufradschaufeln und dem Kopplungselement herbeiführbar ist, ist die Ausbildung des Kopplungselements aus einem Polyethylen, insbesondere aus PE-LD.
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Ein erfindungsgemäßer Prüfstand zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln, mit einer Kontrolleinheit und einem Steuergerät, mit einer Schwingungsmesseinheit und einem Erregerelement, umfasst zur zuverlässigen und gesicherten Messung ein Laufrad, welches Merkmale gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 aufweist.
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Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln, mit einem Laufrad, aufweisend eine Mehrzahl von Laufradschaufeln positioniert an einer Nabe des Laufrades, bei dem die zu vermessenden Laufradschaufeln von übrigen Laufradschaufeln entkoppelt sind, wobei das Laufrad zur Entkopplung der zu vermessenden Laufradschaufel mit jeweils einem Kopplungselement zwischen zwei benachbart positionierten Laufradschaufeln, welche nicht zu vermessen sind, versehen wird. Durch die Kopplung ergibt sich ein besonders zuverlässiges Verfahren zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln, da Einflüsse von nicht zur Messung vorgesehener Laufradschaufeln aufgrund der mit Hilfe der Kopplungselemente erzeugten Massen- und Dämpfungsunterschiede zwischen zu vermessender Laufradschaufel und nicht zu vermessenden Laufradschaufeln sehr gut detektiert und somit eliminiert werden können.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 In einer schematischen Darstellung einen Prüfstandsaufbau zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln,
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2 in einem Schnitt ein Laufrad mit einer Positionierung eines Koppelelementes in einer ersten Variante,
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3 in einem Schnitt ein Laufrad mit einer Positionierung eines Koppelelementes in einer zweiten Variante,
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4 in einem Schnitt ein Laufrad mit einer Positionierung eines Koppelelementes in einer dritten Variante und
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5 in einem Eigenfrequenz-Amplituden-Diagramm einen Vergleich einer Schwingungsmessung mit einem Verfahren gem. dem Stand der Technik und einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Prüfstandsaufbau 1 für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln dargestellt. Ein zu untersuchendes Laufrad 2 mit einer Drehachse 15 ist mit Hilfe eines ersten Verbindungselementes 3 mit einem Steuergerät 4 verbunden. Eine Schwingungsmesseinheit 5, hier in Form eines Laser-Scanning-Vibrometers, ist mit Hilfe eines zweiten Verbindungselementes 6 ebenfalls mit dem Steuergerät 4 verbunden. Zur Schwingungsanregung ist das Laufrad 2 mit Hilfe eines Erregerelementes 7 anregbar, wobei das Erregerelement 7 in Form eines Piezo-Elementes ausgebildet ist. Das Steuergerät 4 dient als Frequenzgenerator und weist zusätzlich eine Aufnahme- und Auswertelektronik auf, so dass Messdaten von Messungen aufgenommen, gespeichert und ausgewertet werden können.
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Das Steuergerät 4 ist mit einer Kontrolleinheit 8 verbunden, wobei das Steuergerät 4 mit der Kontrolleinheit 8 auch einteilig ausgebildet sein könnte. Mit anderen Worten könnten die Funktionen des Steuergerätes 4 auch in der Kontrolleinheit 8 ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln weist das Laufrad 2 mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln 9 auf einer Nabe 11 auf, dessen Laufradschaufeln 9, welche nicht zur Messung in einem aktuellen Messvorgang vorgesehen sind, mit Hilfe von Kopplungselementen 10 miteinander gekoppelt sind. Das heißt mit anderen Worten, dass die Laufradschaufel 9, welche in dem aktuellen Messvorgang zu vermessen ist, nicht mit Hilfe von Kopplungselementen 10 mit den zu ihr benachbart angeordneten Laufradschaufeln 9 verbunden ist. Das bedeutet, dass die zur Messung vorgesehene Laufradschaufel 9 weder an einer ersten Seitenfläche 12 der Laufradschaufel 9 noch an einer zweiten Seitenfläche 13 der Laufradschaufel 9 ein Kopplungselement aufweist. Der ersten Seitenfläche 12 der zu vermessenden Laufradschaufel 9 ist gegenüberliegend angeordnet eine zweite Seitenfläche 13 einer nicht zu vermessenden Laufradschaufel 9, und ebenso ist der zweiten Seitenfläche 13 der zu vermessenden Laufradschaufel 9 eine erste Seitenfläche 12 einer ebenfalls nicht zu vermessenden Laufradschaufel 9 gegenüberliegend positioniert.
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Das Kopplungselement 10 ist aus einem elastischen Material aufgebaut, wobei hier beispielhaft als Kunststoff das Polyethylen PE-LD mit einem Elastizitätsmodul von 200 N/mm2 vorgesehen ist. Das Kopplungselement 10 ist als Rechteckkörper ausgebildet, wobei auch ein zylindrisch ausgebildeter Körper als Kopplungselement 10 einsetzbar ist. Auch ist die Form des Kopplungselementes 10 nicht auf die beiden genannten Körperformen begrenzt, sondern es kann jede Form eingesetzt werden, die eine sichere Kopplung zweier benachbarter Laufradschaufeln 9 erzeugt.
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Zur Kopplung zweier benachbarter Laufradschaufeln 9 wird das Kopplungselement 10 auf ca. 75 bis 85% seiner ursprünglichen Ausdehnung zusammengedrückt bzw. gestaucht und in diesem gestauchten Zustand zwischen die entsprechenden Laufradschaufeln 9 positioniert. Nach der Positionierung des Kopplungselementes 10 dehnt sich das Kopplungselement 10 wieder aus, so dass eine gesicherte Fixierung des Kopplungselementes 10 zwischen den benachbarten Laufradschaufeln 9 herbeigeführt ist.
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In den 2 bis 4 sind vorteilhafte Positionierungen der Kopplungselemente 10 dargestellt. Die Positionierung der Kopplungselemente 10 in einem äußeren Bereich der Laufradschaufel 9 hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, insbesondere mit einer Positionierung in einem einer Stirnseite 14 der Nabe 11 zugewandten Bereich der Laufradschaufel 9. Der äußere Bereich der Laufradschaufel 9 ist als der von der Nabe 11 abgewandt ausgebildete Bereich der Laufradschaufel 9 zu verstehen. Insbesondere ist es vorteilhaft das Kopplungselement 10 im Bereich so genannter „Schwingungsbäuche” anordnen, wobei unter dem Begriff „Schwingungsbauch” der Bereich einer größten Auslenkung der zur Schwingung angeregten Laufradschaufel 9 zu verstehen ist. Wird die Kopplung im Bereich der „Schwingungsbäuche” eingesetzt, kann die größte Auslenkung der Laufradschaufel 9 erfasst werden, so dass diese effektiv, infolge der Kopplung, deutlich erfassbar ist und somit ihr Einfluss auf das Schwingungsverhalten der zu vermessenden Laufradschaufel 9 deutlich erkennbar und somit eliminierbar ist.
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Zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens von Laufradschaufeln wird das Laufrad 2 zur Entkopplung der zu vermessenden Laufradschaufeln 9 mit jeweils einem Kopplungselement 10 zwischen zwei benachbart positionierten Laufradschaufeln 9, welche nicht zu vermessen sind, versehen. Im Allgemeinen wird nur eine Laufradschaufel 9 in einem Messvorgang vermessen. Das heißt, dass die jeweils der zur aktuellen Messung vorgesehenen Laufradschaufel 9 benachbarten Laufradschaufeln 9 nicht mit Hilfe von Kopplungselementen 10 mit der zu vermessenden Laufradschaufel 9 gekoppelt sind, sondern ausschließlich eine Kopplung der nicht zur aktuellen Messung vorgesehenen Laufradschaufeln 9 mit Hilfe der Kopplungselemente 10 herbeigeführt wird.
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Zur Verdeutlichung soll hier noch kurz gesagt werden, dass pro aktuelle Messung nur eine Laufradschaufel 9 bezüglich ihres Schwingungsverhaltens vermessen wird. Selbstverständlich bedeutet dies, dass, insbesondere bei einem integralen Laufrad, die anderen Laufradschaufeln 9, deren Schwingungsverhalten zum Zeitpunkt der aktuellen Messung nicht untersucht werden soll, ebenfalls mittelbar oder unmittelbar angeregt werden. Aufgrund der Kopplung der zum Zeitpunkt der aktuellen Messung nicht zu vermessenden Laufradschaufeln 9 weisen diese allerdings ein von der zur aktuellen Messung vorgesehenen Laufradschaufel 9 abweichendes anderes Schwingungsverhalten auf, dessen Einfluss auf das Schwingungsverhalten der zum Zeitpunkt der aktuellen Messung vorgesehenen Laufradschaufel 9 leicht eliminierbar ist.
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Das Laufrad 2 wird dann mit Hilfe eines Erregerelementes 7, in diesem Beispiel ein Piezoelement, zu Schwingungen angeregt, wobei die Schwingungen mit Hilfe einer Schwingungsmesseinheit 5 aufgenommen werden. Das Piezoelement 7 wird auf die Nabe 11 des Laufrades 2 an der Stirnseite 14 der Nabe 11 angebracht. Die Schwingungsmesseinheit 5 weist ein optisches Verfahren zur Aufnahme der Schwingungen auf und Ist in diesem Beispiel in Form eines Laser-Scanning-Vibrometers ausgebildet.
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Mit Hilfe vom Steuergerät 4 und von der Kontrolleinheit 8 aufgenommenen und ausgewerteten Messergebnissen ist es möglich Aussagen zu einer individuellen, als laufradschaufelspezifischen Schaufeleigenfrequenz, zur individuellen Schaufeldämpfung sowie zur individuellen Schaufelschwingungsamplitude zu treffen. Des Weiteren lässt sich insgesamt eine Eigenfrequenzverstimmung des gesamten Laufrades 2 ermitteln.
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In 5 sind in einem Eigenfrequenz-Amplituden-Diagramm Schwingungsmessergebnisse jeweils einer zu vermessenden Laufradschaufel 9 gegenübergestellt, wobei mit Hilfe einer gestrichelten Linie Ergebnisse einer Schwingungsmessung mit einem Verfahren gem. dem Stand der Technik und mit Hilfe einer durchgezogene Linie Ergebnisse der Schwingungsmessung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren grafisch dargestellt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007016369 A1 [0004]
