DE102017114153B4 - Electromagnetic vibration exciter to excite vibrations in the blades of a blade ring - Google Patents

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Abstract

Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) zur Schwingungsanregung der Schaufeln (21) eines rotierenden Schaufelkranzes (2), mitwenigstens einem Eisenkern (10, 13, 14), welcher zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Umfangsrichtung (U) über einen Umfangswinkel (ϑ) ringförmig ausgebildet ist,wobei der Eisenkern (10, 13, 14) ferner ausgebildet ist, in Umfangsrichtung (U) senkrecht zu den Schaufeln (21) angeordnet zu werden, so dass wenigstens eine Oberseite (13a, 14a) des Eisenkreises (10, 13, 14) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen Abstand (d(ϑ)) in der Höhe (Z) zu den Schaufeln (21) aufweist, und mitwenigstens einer Feldspule (15), welche ausgebildet ist, elektrisch versorgt zu werden und ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches zumindest abschnittsweise durch den Eisenkern (10, 13, 14) hindurch, durch die Schaufeln (21) hindurch und über den Abstand (d(ϑ)) verläuft,dadurch gekennzeichnet, dassder Abstand (d(ϑ)) über den Umfangswinkel (ϑ) wenigstens eine Veränderung in der Höhe (Z) aufweist.Electromagnetic vibration exciter (1) for exciting the blades (21) of a rotating blade ring (2) with at least one iron core (10, 13, 14) which is at least partially, preferably continuously, in the circumferential direction (U) over a circumferential angle (ϑ) ring-shaped is designed, wherein the iron core (10, 13, 14) is also designed to be arranged in the circumferential direction (U) perpendicular to the blades (21), so that at least one upper side (13a, 14a) of the iron circle (10, 13, 14) at least in sections, preferably continuously, at a distance (d (ϑ)) in height (Z) from the blades (21), and with at least one field coil (15) which is designed to be electrically supplied and an electromagnetic field to generate, which runs at least in sections through the iron core (10, 13, 14), through the blades (21) and over the distance (d (ϑ)), characterized in that the distance (d (ϑ)) over the Circumferential angle l (ϑ) has at least one change in height (Z).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schwingungsanreger zur Schwingungsanregung der Schaufeln eines Schaufelkranzes gemäß des Patentanspruchs 1.The present invention relates to an electromagnetic vibration exciter for vibrating the blades of a blade ring according to claim 1.

Bei Aggregaten wie beispielsweise Gasturbinen, Dampfturbinen oder Flugtriebwerken werden Schaufeln eingesetzt, um eine Kraftübertragung zwischen einer rotierenden bzw. rotierbaren Welle des Aggregats und einem Arbeitsmedium zu bewirken. Diese Schaufeln des Aggregats können zusammen auch als Schaufelkranz oder als Beschaufelung bezeichnet werden. Je nach o.g. Anwendungsfall kann man z.B. von Turbinen-, Stator- oder Verdichterlaufschaufeln sprechen.In the case of units such as gas turbines, steam turbines or aircraft engines, blades are used to effect a power transmission between a rotating or rotatable shaft of the unit and a working medium. These blades of the unit can also be referred to together as a blade ring or as a blading. Depending on the above Use case can e.g. speak of turbine, stator or compressor blades.

Im Betrieb können die einzelnen Schaufeln der Beschaufelung zu Schwingungen angeregt werden. Die Anregung kann durch Inhomogenitäten in der Anströmung mit dem Arbeitsmedium wie z.B. der Luft erfolgen. Die entstehenden Schwingungen können sich negativ auf die Lebensdauer der Schaufeln auswirken, da durch lange Belastungsdauern Risse entstehen können, welche letztendlich zu einem Ermüdungsbruch der einzelnen Schaufeln führen können. Ebenso kann durch eine kurzzeitige Überlastung mit sehr hohen Schwingamplituden ein Gewaltbruch einer einzelnen Schaufel auftreten. Beide Arten von Brüchen wenigstens einer einzelnen Schaufel können in der Regel zum Versagen des gesamten Aggregats führen.During operation, the individual blades of the blading can be excited to vibrate. The excitation can be caused by inhomogeneities in the flow with the working medium, e.g. take place in the air. The resulting vibrations can have a negative effect on the service life of the blades, as long periods of stress can cause cracks, which can ultimately lead to fatigue failure of the individual blades. A short-term overload with very high vibration amplitudes can also result in a forced break in an individual blade. Both types of fracture of at least a single blade can usually lead to failure of the entire unit.

Um derartige Brüche zu vermeiden, können die Schaufeln einer Beschaufelung entsprechend robust ausgelegt werden, so dass sie den o.g. Schwingungen dauerhaft und auch bei kurzzeitigen starken Belastungen standhalten können. Hierzu ist es für die Auslegung der Schaufeln der Beschaufelung erforderlich, das Schwingverhalten der Schaufeln unter Strömungsanregung möglichst genau zu kennen.In order to avoid such breaks, the blades of a blading can be designed to be robust enough so that they do the above. Can withstand vibrations permanently and even with short-term heavy loads. For this, it is necessary for the design of the blades of the blading to know as precisely as possible the vibration behavior of the blades when excited by the flow.

Zur Auslegung des Schwingverhaltens von z.B. Turbinenbeschaufelungen werden neben numerischen Simulationen auch experimentelle Versuche durchgeführt. Diese dienen maßgeblich zur Validierung der entwickelten Berechnungsprogramme. Mit anderen Worten wird das Ergebnis der numerischen Simulation unter bestimmten Randbedingungen mit den Messergebnissen eines experimentellen Versuches unter denselben Randbedingungen verglichen und das numerische Simulationsprogramm entsprechend angepasst, damit die Simulationsergebnisse möglichst gut den Messergebnissen entsprechen. Dann kann davon ausgegangen werden, dass mittels des numerischen Simulationsprogramms die realen Bedingungen der Anwendung ausreichend genau nachgebildet werden können, so dass mittels des numerischen Simulationsprogramms eine Auslegung einer Beschaufelung erfolgen kann, welche den realen Bedingungen standhalten kann.To design the vibration behavior of e.g. Turbine blading is carried out in addition to numerical simulations and experimental tests. These mainly serve to validate the developed calculation programs. In other words, the result of the numerical simulation under certain boundary conditions is compared with the measurement results of an experimental test under the same boundary conditions and the numerical simulation program is adapted accordingly so that the simulation results correspond as closely as possible to the measurement results. It can then be assumed that the real conditions of the application can be simulated with sufficient accuracy using the numerical simulation program, so that the numerical simulation program can be used to design a blading that can withstand the real conditions.

Die Beschaufelung wird hierzu üblicherweise im experimentellen Versuch durch eine Kraftanregung in einen möglichst definierten Schwingungszustand versetzt. Der Vergleich mit den Ergebnissen eines numerischen Simulationsprogramms lässt sich so leicht vollziehen, indem eine Simulation mit derselben Kraftanregung durchgeführt wird.For this purpose, the blading is usually put into an oscillation state that is as defined as possible in an experimental test by a force excitation. The comparison with the results of a numerical simulation program can easily be carried out by performing a simulation with the same force excitation.

Als experimenteller Versuch ist ein experimenteller Versuch unter realer Anströmung in einem Schleuderbunker oder an einem realen Aggregat hierfür ungünstig, da ein derartiger experimenteller Versuch mit einem hohen Kostenaufwand verbunden und mit hohen Unsicherheiten behaftet sein kann sowie kritische Betriebszustände oftmals nicht betrachtet werden können.As an experimental test, an experimental test with a real flow in a centrifugal bunker or on a real unit is unfavorable for this, as such an experimental test can be associated with high costs and with high uncertainties and critical operating conditions often cannot be considered.

Daher zielen Konzepte zur Anregung von rotierenden Beschaufelungen mittels experimenteller Versuche allgemein darauf ab, ein Anregungskraftprofil zu erzeugen, welches nur bestimmte Anregungsfrequenzen EOi enthält, um den o.g. definierten Anregungszustand der Beschaufelung zu erzeugen. Das Anregungskraftprofil einer Beschaufelung ist in vielen Fällen periodisch über ihren Umfang. Es lässt sich damit durch eine Fourierreihe beschreiben, welche den räumlichen Kraftverlauf über den Umfang des Schaufelkranzes beschreibt. Dieser räumliche Kraftverlauf besteht aus einer Summe von harmonischen Termen mit einer Anregungsfrequenz EOi und einer Phasenlage phii.Therefore, concepts for the excitation of rotating blades by means of experimental tests generally aim to generate an excitation force profile which only contains certain excitation frequencies EO i in order to generate the above-mentioned excitation state of the blades. The excitation force profile of a blading is in many cases periodic over its circumference. It can thus be described by a Fourier series, which describes the spatial force curve over the circumference of the blade ring. This spatial force curve consists of a sum of harmonic terms with an excitation frequency EO i and a phase position phi i .

Eine weit verbreitete Variante zur Anregung einer rotierbaren Beschaufelung besteht darin, gehäusefeste Permanentmagnete unterhalb der Schaufeln der Beschaufelung zu montieren, die jede Schaufel anziehen, wenn diese den Permanentmagneten passiert. Dabei können ein oder mehrere Permanentmagnete über den Umfang angeordnet sein. Die rotierende Beschaufelung wird dann im Betrieb durch Kraftpulse angeregt, die durch die Permanentmagnete erzeugt werden, wenn eine Schaufel der Beschaufelung einen Permanentmagneten passiert. Dabei wirken auf jede Schaufel pro Umdrehung so viele Kraftpulse wie einzelne Permanentmagnete angeordnet sind. Die grundharmonische Anregungsfrequenz EO1 entspricht damit der Anzahl der Magnete, falls diese äquidistant angeordnet sind.A widely used variant of the excitation of a rotatable blading consists in installing permanent magnets fixed to the housing below the blades of the blading, which attract each blade when it passes the permanent magnet. One or more permanent magnets can be arranged around the circumference. The rotating blades are then excited during operation by force pulses that are generated by the permanent magnets when a blade of the blades passes a permanent magnet. As many force pulses act on each blade per revolution as there are individual permanent magnets. The fundamental harmonic excitation frequency EO 1 thus corresponds to the number of magnets if these are arranged equidistantly.

Um das Problem zu verdeutlichen, soll beispielhaft ein Schaufelkranz betrachtet werden, welcher mit einem Kraftverlauf der Anregungsfrequenz EO1 = 4 entsprechend angeregt wird. 1 zeigt den normierten Verlauf der idealisierten Anregungskraft, die eine einzelne Schaufel einer Beschaufelung während eines Umlaufs über vier Permanentmagnete erfährt. Die Einzelimpulse sind in erster Näherung als Rechtecksignale über den Umfangswinkel ϑ modelliert. 2 zeigt dieses Signal im Frequenzbereich.In order to clarify the problem, a blade ring is to be considered as an example, which is correspondingly excited with a force curve of the excitation frequency EO 1 = 4. 1 shows the normalized course of the idealized excitation force that a single blade of a blading experiences during a revolution over four permanent magnets. The single pulses are as a first approximation Square-wave signals are modeled over the circumferential angle ϑ. 2 shows this signal in the frequency domain.

Neben dem nicht-störenden konstanten Term EO0 = 0 ist deutlich die gewünschte Anregungsfrequenz EO1 = 4 enthalten. Nur unwesentlich schwächer ausgeprägt ist jedoch die erste Oberwelle EO2 = 8, welche einen Störterm bildet. Alle höheren Oberwellen EO3 etc. nehmen nur langsam in ihrer Amplitude ab. Diese Form der Anregung hat somit den Nachteil, dass die Oberwellen EO2 etc. die Schaufeln zu Schwingungen anregen, welche die zu untersuchende Schwingform der gewünschten Anregungsfrequenz EO1 = 4 stören können.In addition to the non-interfering constant term EO 0 = 0, the desired excitation frequency EO 1 = 4 is clearly included. However, the first harmonic EO 2 = 8, which forms an interference term, is only slightly less pronounced. All higher harmonics EO 3 etc. only decrease slowly in their amplitude. This form of excitation thus has the disadvantage that the harmonics EO 2 etc. excite the blades to vibrate, which can disturb the oscillation shape of the desired excitation frequency EO 1 = 4 to be examined.

Ebenfalls ist in der 2 zu erkennen, dass ein Großteil der bereitgestellten Energie in die höheren Anregungsfrequenzen EO2 etc. abfließt, die nicht mehr zur Anregung der gewünschten Anregungsfrequenz EO1 zur Verfügung steht. Damit müssen starke Permanentmagnete eingesetzt werden und zwar umso stärker, je weniger Permanentmagnete verwendet werden. Die Verwendung weniger, starker Permanentmagnete stellt jedoch eine große Belastung der einzelnen Schaufeln dar. Der tatsächliche Anregungskraftverlauf stellt keine ideale Rechteckfunktion wie in 1 dargestellt dar. Dennoch bleibt das grundsätzliche Problem auch bei einem realen Verlauf der Anregungskraft erhalten, auch wenn die Amplituden der Oberwellen EO2 etc. im Vergleich zur grundharmonischen Anregungsfrequenz EO1 abnehmen.Also in the 2 to recognize that a large part of the energy provided flows into the higher excitation frequencies EO 2 etc., which is no longer available for excitation of the desired excitation frequency EO 1 . This means that strong permanent magnets have to be used and the stronger the fewer permanent magnets are used. The use of fewer, strong permanent magnets, however, puts a great deal of stress on the individual blades. The actual excitation force curve does not represent an ideal rectangular function as in 1 However, the fundamental problem remains even with a real curve of the excitation force, even if the amplitudes of the harmonics EO 2 etc. decrease compared to the fundamental harmonic excitation frequency EO 1 .

Die Anregung des rotierenden Schaufelkranzes kann anstatt mit Permanentmagneten auch durch Elektromagnete erfolgen. Für nichtmagnetische Schaufelmaterialien kann die Anregung im rotierenden System ebenfalls mit Magneten erfolgen. Die erläuterte grundsätzliche Problematik der stoßartigen Anregung und der dadurch entstehenden unerwünschten Anregungsfrequenzen EO2 etc. liegt üblicherweise auch bei diesen Varianten vor.The rotating blade ring can be excited by electromagnets instead of permanent magnets. For non-magnetic blade materials, the excitation in the rotating system can also be done with magnets. The explained fundamental problem of jerky excitation and the undesired excitation frequencies EO 2 etc. that arise as a result are usually also present in these variants.

In Verbindung mit der Verwendung von Elektromagneten kann die stoßartige Anregung vollständig vermieden werden, indem ein nicht-rotierender Schaufelkranz verwendet wird. Bei dieser Variante steht eine Schaufel immer über demselben Elektromagneten. Die Verwendung eines nicht-rotierenden Prüfstands hat allerdings den Nachteil, dass dynamische Effekte wie „spin softening“ und „stress stiffening“ nicht bzw. nur unter größtem Aufwand erzeugt werden können. Ebenso können Dämpfungsstrukturen wie Unterplattformdämpfer und Shroudkopplung durch die fehlende Zentripetalbeschleunigung nicht realitätsnah verwendet werden. Daher sind insbesondere zur Auslegung von Schaufelkränzen mit dämpfenden Strukturen die zuvor beschriebenen Versuchsstände mit rotierenden Schaufeln als Versuchsträgern zu bevorzugen.In connection with the use of electromagnets, the impulsive excitation can be completely avoided by using a non-rotating blade ring. In this variant, a shovel is always above the same electromagnet. However, the use of a non-rotating test bench has the disadvantage that dynamic effects such as "spin softening" and "stress stiffening" cannot be created or can only be created with great effort. Likewise, damping structures such as sub-platform dampers and shroud coupling cannot be used realistically due to the lack of centripetal acceleration. Therefore, especially for the design of blade rings with damping structures, the test stands with rotating blades described above are to be preferred as test vehicles.

Nachteilig ist bei den Versuchsständen mit rotierenden Schaufeln bzw. mit rotierendem Schaufelkranz jedoch, dass sich für die Anregung mit einzelnen (Permanent- oder Elektro-) Magneten eine unerwünschte Erwärmung der Schaufeln ergeben kann. Diese entsteht durch Wirbelströme, die in den Schaufeln bei der Bewegung durch ein sich räumlich änderndes Magnetfeld unweigerlich entstehen. Diese Wirbelströme können bis zum Schmelzen der Schaufelspitzen führen. Diese Wirbelströme sind umso stärker, je unstetiger das Magnetfeld im Raum ist. Die Tatsache, dass die Schaufeln durch die einzelnen Magnete einem Magnetfeld mit großen Gradienten ausgesetzt sind, führt daher zu starken Wirbelströmen.The disadvantage of the test stands with rotating blades or with a rotating blade ring, however, is that the excitation with individual (permanent or electro) magnets can result in undesirable heating of the blades. This is caused by eddy currents, which inevitably arise in the blades when moving due to a spatially changing magnetic field. These eddy currents can lead to the melting of the blade tips. These eddy currents are stronger, the more discontinuous the magnetic field in space. The fact that the blades are exposed to a magnetic field with large gradients by the individual magnets therefore leads to strong eddy currents.

Neben den zuvor beschriebenen Anregungskonzepten gibt es weiterhin Anregungskonzepte, die auf Fluidkräften basieren, welche durch Luft- oder Ölstrahlen erzeugt werden. Bei derartigen Versuchsständen lassen sich jedoch die Anregungskräfte, die auf die einzelnen Schaufeln wirken, nicht so genau und reproduzierbar einstellen wie bei einer magnetischen Anregung, weshalb dieses Anregungskonzept üblicherweise zu bevorzugen ist.In addition to the excitation concepts described above, there are also excitation concepts based on fluid forces that are generated by air or oil jets. In such test stands, however, the excitation forces that act on the individual blades cannot be set as precisely and reproducibly as with magnetic excitation, which is why this excitation concept is usually to be preferred.

Die DE 43 34 799 A1 betrifft eine Einrichtung zur Prüfung von Laufschaufeln einer Turbomaschine, insbesondere einer Turbine, mit einem motorisch angetriebenen, drehbar gelagerten Wellenstrang, auf dem eine Radscheibe drehfest angeordnet ist, an der die Laufschaufeln lösbar verankert sind. Sämtliche Laufschaufeln sind beheizbar. Ferner ist eine elektromagnetische Schütteleinrichtung vorgesehen, mit der den Laufschaufeln über den rotierenden Wellenstrang Schwingungen aufgeprägt werden können.The DE 43 34 799 A1 relates to a device for testing the rotor blades of a turbo machine, in particular a turbine, with a motor-driven, rotatably mounted shaft train on which a wheel disk is non-rotatably arranged, on which the rotor blades are releasably anchored. All blades can be heated. Furthermore, an electromagnetic shaking device is provided with which vibrations can be impressed on the rotor blades via the rotating shaft assembly.

Die GB 934 164 A beschreibt eine Vorrichtung zum Testen eines Schaufelrades, das möglicherweise in einer Turbine verwendet werden kann. Die Vorrichtung, besteht aus einer Reihe von Krafterzeugungsvorrichtungen wie Flüssigkeitsstrahlen, die Öl, Wasser oder Dampf abgeben, oder Gleichstrommagneten, die in gleichen Abständen um eine Platte koaxial zum Rad angeordnet sind, wobei die Gruppen der Vorrichtungen in verschiedenen Kombinationen erregt werden können, um Schaufelschwingungsmuster zu simulieren, die durch interne Turbinenkomponenten erzeugt werden, wenn das Rad in Betrieb ist. Paare von Magnetpolen sind auf einem Sockel montiert, der abnehmbar an der Platte befestigt ist, wobei die Schaufel und der Magnetspalt einstellbar sind. Vibrationsdetektormittel wie Piezokristalle oder Dehnungsmessstreifen können an verschiedenen Punkten der Schaufeln und des Rades befestigt werden, wobei ihr Ausgang über Schleifringe zu Messgeräten wie einem Kathodenstrahl-Oszilloskop geleitet wird. Das Rad kann von einem Elektromotor mit verschiedenen Geschwindigkeiten gedreht werden, und das gesamte System kann in einer Vakuumkammer betrieben werden.The GB 934 164 A describes an apparatus for testing a fan wheel that may possibly be used in a turbine. The device consists of a series of force-generating devices such as jets of liquid that emit oil, water or steam, or DC magnets, equidistantly spaced around a plate coaxial with the wheel, the groups of devices being excited in various combinations to create blade vibration patterns to simulate generated by internal turbine components when the wheel is in operation. Pairs of magnetic poles are mounted on a base which is removably attached to the plate, with the paddle and magnetic gap adjustable. Vibration detection means such as piezocrystals or strain gauges can be attached to various points on the blades and wheel, with their output being routed via slip rings to measuring devices such as a cathode ray oscilloscope. The wheel can be driven by an electric motor at different speeds rotated, and the entire system can be operated in a vacuum chamber.

Die DE 868 674 B beschreibt ein Verfahren zur Anregung schwingungsfähiger Körper, insbesondere von Beschaufelungen in Strömungsmaschinen wie z. B. Dampfturbinen, Axialverdichter usw. zum Zwecke der Ermittlung von Eigenfrequenzen, resonanzgefährlichen Anregungsbereichen, den dazugehörigen Schwingungsformen und der Prüfung auf Dauerfestigkeit. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körper an mehreren Stellen sowohl der Frequenz, wie der Phasenlage nach beliebig wählbar angeregt wird, wobei sich der zu untersuchende Körper, abgesehen von den zu untersuchenden Schwingungen, in Ruhe befindet.The DE 868 674 B describes a method for the excitation of vibratory bodies, in particular of blades in fluid flow machines such. B. steam turbines, axial compressors, etc. for the purpose of determining natural frequencies, resonance-dangerous excitation areas, the associated oscillation forms and testing for fatigue strength. The method is characterized in that the body is excited at several points, both in terms of frequency and phase position, in a freely selectable manner, the body to be examined being at rest apart from the vibrations to be examined.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Schwingungsanreger zur Schwingungsanregung der Schaufeln eines Schaufelkranzes der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, so dass die erläuterten Oberwellen EO2 etc. im Anregungskraftprofil eliminiert oder zumindest derart reduziert werden können, sodass die Anregung der Beschaufelung möglichst nur mit erwünschten Frequenzen erfolgen kann. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten derartigen elektromagnetischen Schwingungsanregern geschaffen werden.One object of the present invention is to provide an electromagnetic vibration exciter for vibrating the blades of a blade ring of the type described at the beginning, so that the explained harmonics EO 2 etc. in the excitation force profile can be eliminated or at least reduced in such a way that the excitation of the blading only with desired frequencies can be done. At least an alternative to known electromagnetic vibration exciters of this type is to be created.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektromagnetischen Schwingungsanreger zur Schwingungsanregung der Schaufeln eines Schaufelkranzes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.According to the invention, the object is achieved by an electromagnetic vibration exciter for vibrating the blades of a blade ring with the features of claim 1. Advantageous further developments are described in the subclaims.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen elektromagnetischen Schwingungsanreger zur Schwingungsanregung der Schaufeln eines Schaufelkranzes mit wenigstens einem Eisenkern, welcher zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Umfangsrichtung über einen Umfangswinkel ϑ ringförmig ausgebildet ist. Hierdurch können grundsätzlich, wie weiter unten noch im Detail erläutert wird, Unstetigkeiten des Magnetfeldes vermieden oder zumindest gegenüber einer Anordnung einzelner Magnete reduziert werden, um die durch die einzelnen Magneten hervorgerufene Erwärmung der Schaufeln zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.The present invention thus relates to an electromagnetic vibration exciter for vibrating the blades of a blade ring with at least one iron core which is at least partially, preferably continuously, annular in the circumferential direction over a circumferential angle inkel. In this way, as will be explained in detail below, discontinuities in the magnetic field can be avoided or at least reduced compared to an arrangement of individual magnets in order to avoid or at least reduce the heating of the blades caused by the individual magnets.

Der Eisenkern ist ferner ausgebildet, in Umfangsrichtung senkrecht zu den Schaufeln angeordnet zu werden, so dass wenigstens eine Oberseite des Eisenkreises zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen Abstand in der Höhe zu den Schaufeln aufweist. Dieser Abstand kann auch als Luftspalt bezeichnet werden, wie es bei magnetischen Kreisen üblich ist. Unter der Oberseite des Eisenkreises wird dabei die Seite verstanden, welche zum Abstand bzw. zum Luftspalt hin zeigt.The iron core is also designed to be arranged in the circumferential direction perpendicular to the blades, so that at least one upper side of the iron circle at least in sections, preferably continuously, is at a height from the blades. This distance can also be referred to as the air gap, as is common with magnetic circuits. The upper side of the iron circle is understood to mean the side that points towards the distance or towards the air gap.

Der elektromagnetische Schwingungsanreger weist auch wenigstens eine Feldspule auf, welche ausgebildet ist, elektrisch versorgt zu werden und ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches zumindest abschnittsweise durch den Eisenkern hindurch, durch die Schaufeln hindurch und über den Abstand verläuft. Die Feldspule kann vorzugsweise aus mehreren Windungen Kupferlackdraht bestehen, deren Enden nach außen geführt und an eine Spannungsquelle angeschlossen werden können. Die Feldspule kann mittels der Spannungsquelle mit Gleichspannung oder mit Wechselspannung betrieben werden. Mit anderen Worten kann mittels der elektrischen Feldspule ein magnetischer Kreis von dem Eisenkern über den Luftspalt in die Schaufeln und von dort über den Luftspalt an anderer Stelle wieder in den Eisenkern zurück geschlossen werden. Der Abstand bzw. der Luftspalt weist dabei über den Umfangswinkel ϑ wenigstens eine Veränderung in der Höhe auf.The electromagnetic vibration exciter also has at least one field coil which is designed to be supplied electrically and to generate an electromagnetic field which runs at least in sections through the iron core, through the blades and over the distance. The field coil can preferably consist of several turns of enamelled copper wire, the ends of which can be led to the outside and connected to a voltage source. The field coil can be operated with direct voltage or with alternating voltage by means of the voltage source. In other words, by means of the electrical field coil, a magnetic circuit can be closed from the iron core via the air gap into the blades and from there via the air gap back into the iron core at another point. The distance or the air gap has at least one change in height over the circumferential angle ϑ.

Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Anziehungskraft eines Elektromagneten neben den Parametern der Feldspule wie z.B. Durchmesser, Windungszahl und Spulenstrom auch maßgeblich vom Abstand der anzuziehenden Struktur, hier der Schaufeln, vom Eisenkern abhängt. Es gilt für die Anziehungskraft eines einfachen Elektromagneten: F = U m 2 2 μ 0 A R m 2

Figure DE102017114153B4_0001
The present invention is based on the knowledge that the force of attraction of an electromagnet depends not only on the parameters of the field coil, such as diameter, number of turns and coil current, but also on the distance between the structure to be attracted, here the blades, from the iron core. The following applies to the attraction of a simple electromagnet: F. = U m 2 2 μ 0 A. R. m 2
Figure DE102017114153B4_0001

Hierbei ist Um die magnetische Spannung, µ0 die magnetische Feldkonstante, A die Querschnittsfläche des magnetischen Kreises, d.h. hier die Oberfläche des Eisenkerns, und Rm der magnetische Widerstand des Magnetkreises. Die magnetische Spannung Um kann durch die Feldspule erzeugt werden, welche ihrerseits maßgeblich zur Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft F beitragen kann.Here Um is the magnetic voltage, µ 0 is the magnetic field constant, A is the cross-sectional area of the magnetic circuit, ie here the surface of the iron core, and R m is the magnetic resistance of the magnetic circuit. The magnetic voltage Um can be generated by the field coil, which in turn can contribute significantly to the generation of the magnetic attraction force F.

Der magnetische Widerstand des Magnetkreises Rm kann, unter Vernachlässigung des magnetischen Widerstands Rm des Eisenkerns, als R m = 2 d μ 0 A

Figure DE102017114153B4_0002
angegeben werden, d bezeichnet dabei den Abstand der anzuziehenden Struktur, d.h. der Schaufeln, vom Eisenkern.The magnetic resistance of the magnetic circuit R m , neglecting the magnetic resistance R m of the iron core, as R. m = 2 d μ 0 A.
Figure DE102017114153B4_0002
are given, d denotes the distance between the structure to be attracted, ie the blades, from the iron core.

Kombiniert man diese beiden Gleichungen miteinander, so wird deutlich, dass die magnetische Anziehungskraft F, welche zwischen der Oberfläche des Eisenkerns und den Schaufeln wirkt, umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands, d.h. zum Luftspalt, ist: F 1 d 2

Figure DE102017114153B4_0003
If you combine these two equations, it becomes clear that the magnetic Attractive force F, which acts between the surface of the iron core and the blades, is inversely proportional to the square of the distance, i.e. the air gap: F. 1 d 2
Figure DE102017114153B4_0003

Dabei ist es bisher bei den zuvor beschriebenen experimentellen Versuchen bzw. deren elektromagnetischen Schwingungsanregern bekannt, dass diese zum einen einzelne Magnete aufweisen, welche in Umfangsrichtung angeordnet und zueinander beabstandet sind. Einen Eisenkern, welcher zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Umfangsrichtung über einen Umfangswinkel ϑ ringförmig ausgebildet ist, ist bisher nicht bekannt.It has been known so far in the previously described experimental tests or their electromagnetic vibration exciters that they have, on the one hand, individual magnets which are arranged in the circumferential direction and are spaced from one another. An iron core which at least in sections, preferably continuously, is annular in the circumferential direction over a circumferential angle ϑ is not previously known.

Ferner werden die einzelnen Magnete bisher mit identischen Abständen gegenüber den Schaufeln angeordnet, so dass sich in Umfangsrichtung betrachtet ein konstanter Luftspalt über die gesamte Erstreckung der Schaufeln bzw. des elektromagnetischen Schwingungserregers ergibt. Im Gegensatz hierzu weist der Abstand bzw. der Luftspalt erfindungsgemäß über den Umfangswinkel ϑ wenigstens eine Veränderung in der Höhe auf. Hierdurch kann die Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft in Abhängigkeit des Umfangswinkels ϑ derart beeinflusst werden, so dass die erläuterten Oberwellen EO2 etc. im Anregungskraftprofil eliminiert oder zumindest reduziert werden können. Hierdurch kann die Anregung der Schaufeln des Schaufelkranzes möglichst nur mit der erwünschten grundharmonischen Anregungsfrequenz EO1 erfolgen.Furthermore, the individual magnets have hitherto been arranged at identical distances from the blades so that, viewed in the circumferential direction, there is a constant air gap over the entire extension of the blades or the electromagnetic vibration exciter. In contrast to this, according to the invention, the distance or the air gap has at least one change in height over the circumferential angle ϑ. In this way, the generation of the magnetic attraction force can be influenced as a function of the circumferential angle ϑ in such a way that the explained harmonics EO 2 etc. in the excitation force profile can be eliminated or at least reduced. As a result, the blades of the blade ring can only be excited with the desired fundamental harmonic excitation frequency EO 1 , if possible.

Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß ein winkelabhängiger Abstand d(ϑ) bzw. Luftspalt d(ϑ) geschaffen, welcher gegenüber dem bisher bekannten konstanten Abstand h0, der hier ein beliebig wählbarer Nullabstand h0 sein kann, mit der Höhe h(ϑ) des Eisenkerns wie folgt im Zusammenhang steht: d ( ϑ ) = h 0 h ( ϑ )

Figure DE102017114153B4_0004
In other words, an angle-dependent distance d (ϑ) or air gap d (ϑ) is created according to the invention, which compared to the previously known constant distance h 0 , which can be an arbitrarily selectable zero distance h 0 , with the height h (ϑ) des Iron core is related as follows: d ( ϑ ) = H 0 - H ( ϑ )
Figure DE102017114153B4_0004

Soll eine sinusförmige magnetische Anziehungskraft als Beispiel einer stetigen harmonischen magnetischen Anziehungskraft F 1 = F ^ s i n ( E 0 1 ϑ )

Figure DE102017114153B4_0005
angeregt werden, so ist erfindungsgemäß der über den Umfangswinkel ϑ veränderliche Verlauf der Höhe h(ϑ) des Eisenkerns und damit des Abstands d(ϑ) bzw. Luftspalts d(ϑ) gegenüber den Schaufeln zu h ( ϑ ) = h 0 α F 0 + F 1 sin ( E 0 1 ϑ )
Figure DE102017114153B4_0006
auszulegen. Hierbei ist α eine Konstante, welche die übrigen Einflussparameter der allerersten Gleichung, siehe weiter oben, berücksichtigt.Let a sinusoidal magnetic attraction force as an example of a steady harmonic magnetic attraction force F. 1 = F. ^ s i n ( E. 0 1 ϑ )
Figure DE102017114153B4_0005
are excited, according to the invention the course of the height h (ϑ) of the iron core and thus the distance d (ϑ) or air gap d (ϑ) relative to the blades, which varies over the circumferential angle ϑ H ( ϑ ) = H 0 - α F. 0 + F. 1 sin ( E. 0 1 ϑ )
Figure DE102017114153B4_0006
to interpret. Here is α a constant which takes into account the other influencing parameters of the very first equation, see above.

Vorzugsweise ist es ebenfalls möglich, anstatt die Schaufeln mit nur einer Frequenz anzuregen, mehrere interessierende Frequenzen gleichzeitig anzuregen. Dazu ist lediglich der Verlauf der Höhe h(ϑ) für einen Kraftverlauf auszulegen, der als eine Kombination von Sinustermen mehrerer Frequenzen gebildet wird. Der Verlauf der Höhe h(ϑ) kann ebenfalls für weitere, beliebige Anregungsformen ausgelegt werden, welche nicht nur sinus- oder kosinusförmig sein müssen.It is preferably also possible, instead of exciting the blades with only one frequency, to excite several frequencies of interest at the same time. For this purpose, only the course of the height h (ϑ) has to be designed for a force course that is formed as a combination of sine terms of several frequencies. The course of the height h (ϑ) can also be designed for further, arbitrary forms of excitation, which do not only have to be sinusoidal or cosinusoidal.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Abstand über den Umfangswinkel ϑ eine Mehrzahl von Veränderungen in der Höhe auf. Hierdurch können die Gestaltungsfreiheiten zur Variation der magnetischen Anziehungskraft über den Abstand weiter erhöht werden.According to one aspect of the present invention, the distance over the circumferential angle ϑ has a plurality of changes in height. In this way, the freedom of design for varying the magnetic force of attraction over the distance can be further increased.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Veränderung bzw. sind die Veränderungen in der Höhe in der Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, stetig. Hierdurch kann eine harmonische Anregung ermöglicht werden, welche den definierten Testanregungen, die es experimentell nachzustellen gilt, möglichst nahe kommen kann. Ferner können die zuvor beschriebenen Wirbelströme, welche aus Unstetigkeiten resultieren können, vermieden werden.According to a further aspect of the present invention, the change or changes in height in the circumferential direction is continuous, at least in sections, preferably continuously. In this way, a harmonic excitation can be made possible, which can come as close as possible to the defined test excitations that are to be reproduced experimentally. Furthermore, the eddy currents described above, which can result from discontinuities, can be avoided.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Abstand über den Umfangswinkel ϑ zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen harmonischen Verlauf in der Höhe auf. Hierdurch kann eine harmonische Anregung der magnetischen Anziehungskraft sichergestellt werden, was aus den zuvor bereits beschriebenen Gründen vorteilhaft sein kann.According to a further aspect of the present invention, the distance over the circumferential angle ϑ at least in sections, preferably continuously, has a harmonious profile in height. In this way, a harmonic excitation of the magnetic force of attraction can be ensured, which can be advantageous for the reasons already described above.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung entspricht der Abstand über den Umfangswinkel ϑ zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Höhe einem Verlauf einer fouriertransformierbaren Funktion. Auf diese Art und Weise können alle fouriertransformierbaren Funktionen verwendet werden, was den Gestaltungspielraum zur Umsetzung der zuvor beschriebenen Erkenntnis deutlich erhöhen kann.According to a further aspect of the present invention, the distance over the circumferential angle ϑ corresponds at least in sections, preferably continuously, in height to a profile of a Fourier-transformable function. In this way, all Fourier transformable functions can be used, which can significantly increase the scope for implementing the knowledge described above.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Veränderung bzw. sind die Veränderungen in der Höhe in der Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, sprungartig. Hierdurch können alternative Anregungen im Vergleich zu stetigen Verläufen geschaffen werden. Beispielsweise lassen sich so Anregungen nachstellen, wie sie in der Realität durch den Nachlauf der Leitschaufeln eines Flugtriebwerks auftreten können.According to a further aspect of the present invention, the change or changes in height in the circumferential direction is, at least in sections, preferably continuously, abruptly. In this way, alternative suggestions can be created in comparison to continuous curves. For example, suggestions can be reproduced in this way, as they can occur in reality due to the overrun of the guide vanes of an aircraft engine.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Eisenkern U-förmig ausgebildet, so dass von dem Eisenkern ein nach oben offener Innenraum gebildet wird, wobei die Feldspule innerhalb des Innenraums angeordnet ist. Dies ermöglicht einen kompakten elektromagnetischen Schwingungsanreger, welcher in einem entsprechenden Versuchsstand senkrecht zu den Schaufeln bzw. zu den Schaufelspitzen angeordnet und betrieben werden kann. Der magnetische Kreis kann dabei von der Feldspule durch den einen Schenkel des U-Profils und den darüber liegenden Abstand bzw. Luftspalt in die Schaufeln gelangen und von dort über den anderen Abstand und den anderen Schenkel des U-Profils zur Feldspule zurück.According to a further aspect of the present invention, the iron core is U-shaped, so that the iron core forms an interior space that is open at the top, the field coil being arranged within the interior space. This enables a compact electromagnetic vibration exciter, which can be arranged and operated in a corresponding test stand perpendicular to the blades or to the blade tips. The magnetic circuit can get from the field coil through one leg of the U-profile and the distance or air gap above it into the blades and from there back to the field coil via the other distance and the other leg of the U-profile.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Eisenkern einen Basisring mit einem radial inneren Schenkel und einem radial äußeren Schenkel auf, wobei die beiden Schenkel den Innenraum radial beidseitig begrenzen, und der Eisenkern weist einen inneren Profilring, welcher auf dem radial inneren Schenkel des Basisrings angeordnet ist, und einen äußeren Profilring auf, welcher auf dem radial äußeren Schenkel des Basisrings angeordnet ist, wobei die Oberseite des inneren Profilrings und bzw. oder die Oberseite des äußeren Profilrings die Oberseite des Eisenkerns bildet bzw. bilden. Auf diese Art und Weise kann der erfindungsgemäße elektromagnetische Schwingungsanreger dadurch realisiert werden, dass ein stets gleicher Basisring als Grundelement verwendet wird, welcher U-förmig ausgebildet ist und die Feldspule in seinem Innenraum aufnimmt, wie zuvor bereits beschrieben. Dieses Grundelement kann dann je nach Anwendungsfall durch entsprechend ausgebildete Profilringe an die gewünschte Anregungsform abgepasst werden.According to a further aspect of the present invention, the iron core has a base ring with a radially inner leg and a radially outer leg, the two legs delimiting the interior on both sides, and the iron core has an inner profile ring which is placed on the radially inner leg of the base ring is arranged, and an outer profile ring which is arranged on the radially outer leg of the base ring, wherein the top of the inner profile ring and / or the top of the outer profile ring forms the top of the iron core or form. In this way, the electromagnetic vibration exciter according to the invention can be implemented in that a base ring which is always the same is used as the base element, which is U-shaped and accommodates the field coil in its interior, as already described above. Depending on the application, this basic element can then be adapted to the desired form of excitation by means of appropriately designed profile rings.

Somit können die beiden Profilringe jeweils ein Profil aufweisen, welches durch die Veränderung seiner Höhe und damit des Abstands über den Umfangswinkel ϑ die gewünschte magnetische Anziehungskraft erzeugen kann. Hierdurch kann das Grundelement einmalig oder durch den Austausch der Profilringe mehrmalig auf unterschiedliche Anregungsverläufe angepasst und hierfür verwendet werden. Mit anderen Worten kann für jede Anregungsfrequenz oder Kombination aus Anregungsfrequenzen ein neuer Satz Profilringe bereitgestellt werden, durch dessen Verwendung der Basisring angepasst werden kann.Thus, the two profile rings can each have a profile that can generate the desired magnetic attraction force by changing its height and thus the distance over the circumferential angle ϑ. As a result, the basic element can be adapted once or several times by exchanging the profile rings to different excitation profiles and used for this. In other words, a new set of profile rings can be provided for each excitation frequency or combination of excitation frequencies, through the use of which the base ring can be adapted.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bzw. sind der innere Profilring und bzw. oder der äußere Profilring austauschbar auf dem Basisring angeordnet. Hierdurch kann, wie zuvor bereits erwähnt, eine flexible Anpassung des Basisrings als Grundelement an verschiedene Anwendungsfälle erfolgen, indem lediglich die Profilringe ausgetauscht werden müssen. Dies kann die Herstellung und Lagerung von einstückigen Eisenkernen mit verschiedenen Abstandsverläufen über den Umfangswinkel ϑ vermeiden, wodurch die Kosten zur Nutzung der vorliegenden Erfindung deutlich reduziert werden können.According to a further aspect of the present invention, the inner profile ring and / or the outer profile ring is / are arranged interchangeably on the base ring. In this way, as already mentioned above, the base ring can be flexibly adapted as a basic element to different applications, in that only the profile rings have to be exchanged. This can avoid the production and storage of one-piece iron cores with different spacing profiles over the circumferential angle ϑ, as a result of which the costs for using the present invention can be significantly reduced.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen die Oberseiten der Profilringe über den Umfangswinkel ϑ zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, den gleichen oder einen unterschiedlichen Verlauf auf. Wird, was zu bevorzugen ist, der gleiche Verlauf der Abstände für die beiden Profilringe gewählt, so sind diese Verläufe bzw. die hierdurch bewirkten Anregungen in Phase zueinander. Werden jedoch als weitere Möglichkeit zur Nutzung der vorliegenden Erfindung Profilringe mit gleichen jedoch in Umfangsrichtung versetzt angeordneten Verläufen der Höhe verwendet, kann eine Anregung mit unterschiedlichen Kraftamplituden der beiden Profilringe erfolgen. Alternativ können auch unterschiedliche Verläufe der Höhen miteinander kombiniert eingesetzt werden, was weitere Gestaltungsmöglichkeiten schaffen kann.According to a further aspect of the present invention, the upper sides of the profile rings have the same or a different course over the circumferential angle ϑ at least in sections, preferably continuously. If, which is preferable, the same course of the distances is selected for the two profile rings, then these courses or the resulting stimuli are in phase with one another. If, however, profile rings with the same but offset in the circumferential direction of the height are used as a further possibility for using the present invention, an excitation with different force amplitudes of the two profile rings can take place. Alternatively, different heights can be combined with each other, which can create further design options.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Eisenkern in der Umfangsrichtung bis auf eine Durchführung der elektrischen Anschlüsse der Feldspule ringförmig geschlossen und die Profilringe in der Umfangsrichtung sind durchgehend ringförmig geschlossen. Hierdurch kann im unteren Bereich des Basisrings, dessen magnetischer Fluss nicht direkt in den Abstand übergeht, eine Durchführung der elektrischen Anschlüsse der Feldspule erfolgen, um diese innerhalb des U-förmigen Profils des Basisrings anordnen und dennoch elektrisch versorgen zu können. Gleichzeitig kann der Eisenkern im Bereich der beiden Profilringe, welche direkt an den Abstand zu den Schaufeln grenzen, durchgehend in Umfangsrichtung geschlossen ausgeführt werden, um einen durchgehenden und ununterbrochenen magnetischen Fluss zwischen dem Eisenkern und den Schaufeln zu erreichen. Hierdurch können starke Gradienten, welche sich aus Unstetigkeiten des Magnetfeldes ergeben und zu Erwärmungen der Schaufeln führen können, vermieden oder zumindest reduziert werden.According to a further aspect of the present invention, the iron core is closed in the circumferential direction except for a lead-through for the electrical connections of the field coil and the profile rings in the circumferential direction are continuously closed in an annular manner. As a result, the electrical connections of the field coil can be passed through in the lower area of the base ring, the magnetic flux of which does not directly merge into the spacing, in order to be able to arrange them within the U-shaped profile of the base ring and still be able to supply them electrically. At the same time, the iron core in the area of the two profile rings, which are directly adjacent to the distance to the blades, can be designed to be continuously closed in the circumferential direction in order to achieve a continuous and uninterrupted magnetic flux between the iron core and the blades. In this way, strong gradients, which result from discontinuities in the magnetic field and can lead to the blades heating up, can be avoided or at least reduced.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Profilringe formschlüssig, vorzugsweise jeweils durch eine Steckverbindung, und bzw. oder kraftschlüssig, vorzugsweise jeweils durch zumindest ein Paar von Zentrierstiften, auf den Schenkeln des Basisrings gehalten. Hierdurch kann ein einfacher aber dennoch sicherer Halt ermöglicht werden, welcher gleichzeitig wieder zerstörungsfrei aufgehoben werden kann, falls die Profilringe ausgetauscht werden sollen, wie zuvor beschrieben.According to a further aspect of the present invention, the profile rings are positively locked, preferably each by a plug connection, and / or non-positively, preferably each by at least one pair of centering pins on the Legs of the base ring held. In this way, a simple but nevertheless secure hold can be made possible, which at the same time can be canceled again in a non-destructive manner if the profile rings are to be exchanged, as described above.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Profilringe in der radialen Richtung und bzw. oder in der Umfangsrichtung definiert auf den Schenkeln des Basisrings, vorzugsweise jeweils durch zumindest ein Paar von Zentrierstiften, positioniert. Hierdurch kann zum einen eine Positionierung in der radialen Richtung erfolgen, um die beiden Profilringe gegenüber der Achse der vertikalen Richtung des elektromagnetischen Schwingungsanregers auszurichten. Mit anderen Worten kann hierdurch eine radiale Zentrierung der beiden Profilringe erreicht werden. Zum anderen kann eine Ausrichtung der beiden Profilringe in der Umfangsrichtung gegeneinander erfolgen, um einen gewünschten Phasenversatz zu realisieren bzw. um einen Phasenversatz zu vermeiden.According to a further aspect of the present invention, the profile rings are defined in the radial direction and / or in the circumferential direction on the legs of the base ring, preferably each positioned by at least one pair of centering pins. In this way, on the one hand, positioning can take place in the radial direction in order to align the two profile rings with respect to the axis of the vertical direction of the electromagnetic vibration exciter. In other words, a radial centering of the two profile rings can be achieved in this way. On the other hand, the two profile rings can be aligned with one another in the circumferential direction in order to achieve a desired phase offset or to avoid a phase offset.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist bzw. weisen der innere Profilring und bzw. oder der äußere Profilring ein ferromagnetisches Material mit hoher Permeabilität auf, vorzugsweise besteht bzw. bestehen diese aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität. Hierdurch kann das magnetische Feld möglichst wirkungsvoll geleitet bzw. geführt werden.According to a further aspect of the present invention, the inner profile ring and / or the outer profile ring has a ferromagnetic material with high permeability, preferably consists or consists of a ferromagnetic material with high permeability. As a result, the magnetic field can be guided or guided as effectively as possible.

Mehrere Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:

  • 1 ein Diagramm der magnetischen Kraft über den Umfangswinkel bei einer permanentmagnetischen Anregung gemäß des Standes der Technik;
  • 2 ein Diagramm der Kraftamplitude über der Frequenz des Diagramms der 1;
  • 3 eine perspektivische schematische Darstellung eines Schaufelkranzes;
  • 4 eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
  • 5 einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
  • 6 eine schematische Draufsicht auf einen Basisring des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
  • 7 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein erstes Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
  • 8 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein zweites Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
  • 9 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein drittes Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
  • 10 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein viertes Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
  • 11 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein fünftes Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers; und
  • 12 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein sechstes Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers.
Several exemplary embodiments and further advantages of the invention are explained below in connection with the following figures. It shows:
  • 1 a diagram of the magnetic force over the circumferential angle with a permanent magnetic excitation according to the prior art;
  • 2 a diagram of the force amplitude over the frequency of the diagram of FIG 1 ;
  • 3 a perspective schematic representation of a blade ring;
  • 4th a perspective schematic representation of an electromagnetic vibration exciter according to the invention;
  • 5 a schematic cross section of the electromagnetic vibration exciter according to the invention;
  • 6th a schematic plan view of a base ring of the electromagnetic vibration exciter according to the invention;
  • 7th a diagram of the magnetic attraction force over the circumferential angle for a first profile of the iron core of the electromagnetic vibration exciter according to the invention;
  • 8th a diagram of the magnetic attractive force over the circumferential angle for a second profile of the iron core of the electromagnetic vibration exciter according to the invention;
  • 9 a diagram of the magnetic force of attraction over the circumferential angle for a third profile of the iron core of the electromagnetic vibration exciter according to the invention;
  • 10 a diagram of the magnetic attraction force over the circumferential angle for a fourth profile of the iron core of the electromagnetic vibration exciter according to the invention;
  • 11 a diagram of the magnetic attraction force over the circumferential angle for a fifth profile of the iron core of the electromagnetic vibration exciter according to the invention; and
  • 12 a diagram of the magnetic attractive force over the circumferential angle for a sixth profile of the iron core of the electromagnetic vibration exciter according to the invention.

1 zeigt ein Diagramm der magnetischen Kraft über den Umfangswinkel ϑ bei einer permanentmagnetischen Anregung gemäß des Standes der Technik. 2 zeigt ein Diagramm der Kraftamplitude über der Frequenz des Diagramms der 1. Diese Figuren bzw. deren Diagramme wurden eingangs bereits erläutert, so dass dies hier nicht wiederholt werden soll. 1 shows a diagram of the magnetic force over the circumferential angle ϑ with a permanent magnetic excitation according to the prior art. 2 shows a diagram of the force amplitude versus frequency of the diagram of FIG 1 . These figures and their diagrams have already been explained at the beginning, so that this is not to be repeated here.

3 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines Schaufelkranzes 2, welcher auch als Beschaufelung bezeichnet werden kann. Ein derartiger Schaufelkranz 2 kann bei Aggregaten wie z.B. Gasturbinen, Dampfturbinen oder Flugtriebwerken eingesetzt werden, um eine Kraftübertragung zwischen einer rotierenden bzw. rotierbaren Welle des Aggregats und einem Arbeitsmedium zu bewirken. Der Schaufelkranz 2 ist rotationssymmetrisch zu der Achse der vertikalen Richtung Z, welche auch als Höhe Z bezeichnet werden kann. In der radialen Richtung r, welche sich senkrecht von der Achse der vertikalen Richtung Z weg erstreckt, weist der Schaufelkranz 2 mittig einen Schaufelkörper 20 auf, mit dem der Schaufelkranz 2 an dem Aggregat befestigt werden kann. Radial nach außen erstreckt sich eine Vielzahl von identisch aufgebauten und ausgerichteten Schaufeln 21, welche im Betrieb in Kontakt mit dem Arbeitsmedium stehen. Diese sind in der Umfangsrichtung U, welche senkrecht zur radialen Richtung r orientiert ist, gleichmäßig verteilt und gleichmäßig zueinander beabstandet. In der Umfangsrichtung U erstreckt sich der Umfangswinkel ϑ um die Achse der vertikalen Richtung Z. 3 shows a perspective schematic representation of a blade ring 2 , which can also be referred to as blading. Such a blade ring 2 can be used with units such as gas turbines, steam turbines or aircraft engines in order to effect a power transmission between a rotating or rotatable shaft of the unit and a working medium. The shovel ring 2 is rotationally symmetrical to the axis of the vertical direction Z which also called height Z can be designated. In the radial direction r which is perpendicular from the axis of the vertical direction Z extends away, has the blade ring 2 a blade body in the middle 20th on, with which the blade ring 2 can be attached to the unit. A plurality of identically constructed and aligned blades extend radially outward 21st which are in contact with the working medium during operation. These are evenly distributed and uniformly in the circumferential direction U, which is oriented perpendicular to the radial direction r spaced from each other. In the circumferential direction U, the circumferential angle ϑ extends around the axis of the vertical direction Z .

4 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers 1. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers 1. 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Basisring 10 des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers 1. 4th shows a perspective schematic representation of an electromagnetic vibration exciter according to the invention 1 . 5 shows a schematic cross section of the electromagnetic vibration exciter according to the invention 1 . 6th shows a schematic plan view of a base ring 10 of the electromagnetic vibration exciter according to the invention 1 .

Der elektromagnetische Schwingungsanreger 1 weist einen Basisring 10 auf, welcher U-förmig nach oben offen ausgebildet ist. Der Basisring 10 bildet einen radial inneren Schenkel 10a und einen radial äußeren Schenkel 10b aus, welche jeweils senkrecht nach oben ragen und radial zwischen sich einen Innenraum 10c des Basisrings 10 ausbilden. Innerhalb des Innenraums 10c ist eine Feldspule 15 aus mehreren Windungen Kupferlackdraht angeordnet, siehe 5, deren elektrische Anschlüsse (nicht dargestellt) über eine Durchführung 12 nach außen geführt und dort mit einem Netzteil (nicht dargestellt) als Spannungsquelle verbunden werden können.The electromagnetic vibration exciter 1 has a base ring 10 on, which is U-shaped open at the top. The base ring 10 forms a radially inner leg 10a and a radially outer leg 10b from which each protrude vertically upwards and radially between them an interior space 10c of the base ring 10 form. Inside the interior 10c is a field coil 15th arranged from several turns of enamelled copper wire, see 5 , their electrical connections (not shown) via a bushing 12 out and can be connected there to a power supply unit (not shown) as a voltage source.

Auf dem inneren Schenkel 10a des Basisrings 10 ist ein innerer Profilring 13 angeordnet, welcher den ersten Schenkel 10a in der Höhe Z nach oben verlängert. Ein entsprechender äußerer Profilring 14 ist auf dem äußeren Schenkel 10b angeordnet. Der Basisring 10, der innere Profilring 13 und der äußere Profilring 14 bilden gemeinsam den Eisenkern 10, 13, 14 des elektromagnetischen Schwingungsanregers 1 und sind daher aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität ausgebildet. Die beiden Profilringe 13, 14 schließen jeweils mit einer Oberseite 13a, 14a nach oben hin ab, welche gemeinsam die Oberseite 13a, 14a des Eisenkerns 10, 13, 14 in der Höhe Z bilden. Die beiden Profilringe 13, 14 sind in Umfangsrichtung U ringförmig geschlossen ausgebildet während der Basisring 10 durch die Durchführung 12 unterbrochen wird.On the inner thigh 10a of the base ring 10 is an inner profile ring 13th arranged, which the first leg 10a in height Z extended upwards. A corresponding outer profile ring 14th is on the outer thigh 10b arranged. The base ring 10 , the inner profile ring 13th and the outer profile ring 14th together form the iron core 10 , 13th , 14th of the electromagnetic vibration exciter 1 and are therefore formed from a ferromagnetic material with high permeability. The two profile rings 13th , 14th each close with a top 13a , 14a towards the top, which share the top 13a , 14a of the iron core 10 , 13th , 14th in height Z form. The two profile rings 13th , 14th are in the circumferential direction U annularly closed while the base ring 10 by performing 12 is interrupted.

Oberhalb der Oberseiten 13a, 14a des Eisenkerns 10, 13, 14 sind die Schaufeln 21 des Schaufelkranzes 2 angeordnet, siehe 5, so dass die Oberseiten 13a, 14a des Eisenkerns 10, 13, 14 in Umfangsrichtung U senkrecht zu den Schaufeln 21 angeordnet sind. Zwischen den Oberseiten 13a, 14a des Eisenkerns 10, 13, 14 und den Schaufeln 21 bzw. deren Unterseiten besteht ein Abstand d(ϑ), welcher auch als Luftspalt d(ϑ) bezeichnet werden kann. Die magnetischen Feldlinien, welche durch die Feldspule 15 im Betrieb erzeugt werden, fließen somit vom Basisring 10 durch z.B. dessen inneren Schenkel 10a in den inneren Profilring 13, über dessen Oberseite 13a sie in den Luftspalt d(ϑ) austreten. Von dort treten die magnetischen Feldlinien in die Schaufeln 21 ein und fließen radial nach außen durch die Schaufeln 21 hindurch, um oberhalb des äußeren Profilrings 14 in den dort gebildeten Luftspalt d(ϑ) auszutreten. Über diesen Luftspalt d(ϑ) treten die magnetischen Feldlinien über die Oberseite 14a des äußeren Profilrings 14 in diesen und von dort in den Basisring 10 wieder ein, so dass sich die magnetischen Feldlinien schließen.Above the tops 13a , 14a of the iron core 10 , 13th , 14th are the shovels 21st of the blade ring 2 arranged, see 5 so that the tops 13a , 14a of the iron core 10 , 13th , 14th in the circumferential direction U perpendicular to the blades 21st are arranged. Between the tops 13a , 14a of the iron core 10 , 13th , 14th and the shovels 21st or their underside, there is a distance d (ϑ), which can also be referred to as an air gap d (ϑ). The magnetic field lines that go through the field coil 15th generated during operation, thus flow from the base ring 10 through, for example, its inner leg 10a in the inner profile ring 13th , over its top 13a they exit into the air gap d (ϑ). From there the magnetic field lines enter the blades 21st and flow radially outward through the blades 21st through to above the outer profile ring 14th exit into the air gap d (ϑ) formed there. Via this air gap d (ϑ) the magnetic field lines pass over the top 14a of the outer profile ring 14th into this and from there into the base ring 10 back on so that the magnetic field lines close.

Erfindungsgemäß sind zum einen die beiden Profilringe 13, 14 ringförmig geschlossen, so dass eine magnetische Anziehungskraft F in Umfangsrichtung U ununterbrochen auf die Schaufeln 21 wirken kann. Hierdurch können Gradienten und die hierdurch hervorgerufenen Erwärmungen der Schaufeln 21 vermieden werden.According to the invention, on the one hand, the two profile rings 13th , 14th closed in a ring, so that a magnetic force of attraction F in the circumferential direction U continuously on the shovels 21st can work. This can result in gradients and the resulting heating of the blades 21st be avoided.

Erfindungsgemäß sind zum anderen die beiden Profilringe 13, 14 mit einer über den Umfang U bzw. über den Umfangswinkel ϑ variierenden Höhe h(ϑ) ihrer Oberseite 13a, 14a ausgebildet, so dass auch der Abstand d(ϑ) bzw. Luftspalt d(ϑ) variiert, siehe 5. Dies ist auch in der 4 durch die perspektivische Darstellung zu erkennen, so dass dort ein Minimum 16 der Höhe h(ϑ) und ein Maximum 17 der Höhe h(ϑ) gekennzeichnet sind. Durch diese Veränderung der Höhe h(ϑ) über den Umfangswinkel ϑ kann der Abstand d(ϑ) bzw. der Luftspalt d(ϑ) über den Umfangswinkel ϑ entsprechend variiert werden, woraus eine Beeinflussung der magnetischen Anziehungskraft F(ϑ) über den Umfangswinkel ϑ resultiert. Durch diese Art der Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft F(ϑ) kann eine deutlich ausgeprägtere Schwingung der grundharmonischen Anregungsfrequenz EO1, d.h. eine stärkere Amplitude der grundharmonischen Anregungsfrequenz EO1, angeregt werden als die störenden Oberwellen EO2.According to the invention, on the other hand, the two profile rings 13th , 14th with a height h (ϑ) of its upper side which varies over the circumference U or over the circumferential angle ϑ 13a , 14a formed so that the distance d (ϑ) or air gap d (ϑ) varies, see 5 . This is also in the 4th to be recognized by the perspective view, so that there is a minimum 16 of height h (ϑ) and a maximum 17th the height h (ϑ) are marked. By changing the height h (ϑ) over the circumferential angle ϑ, the distance d (ϑ) or the air gap d (ϑ) can be varied accordingly over the circumferential angle ϑ, which influences the magnetic attraction force F (ϑ) over the circumferential angle ϑ results. By generating the magnetic attraction force F (() in this way, a significantly more pronounced oscillation of the fundamental harmonic excitation frequency EO 1 , ie a stronger amplitude of the fundamental harmonic excitation frequency EO 1 , can be excited than the interfering harmonics EO 2 .

Dabei sind die Profilringe 13, 14 abnehmbar ausgebildet, um verschiedene Verläufe der Höhe h(ϑ) an ein und demselben Basisring 10 realisieren zu können. Die Profilringe 13, 14 können hierzu von oben auf den Basisring 10 aufgesetzt und auch wieder nach oben abgenommen werden. Sowohl zur Halterung als auch zur Ausrichtung in der radialen Richtung r und in der Umfangsrichtung U weist jeder Profilring 13, 14 an seiner Unterseite ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Aussparungen in Form zweier Bohrungen auf (nicht dargestellt), in welchen jeweils ein Zentrierstift aufgenommen werden kann (nicht dargestellt). Der Basisring 10 weist an seiner Oberseite die entsprechenden vier Aussparungen 11 als Bohrungen 11 auf, in welche die Zentrierstifte (nicht dargestellt) aufgenommen werden können.Here are the profile rings 13th , 14th designed to be removable, in order to have different profiles of height h (ϑ) on one and the same base ring 10 to be able to realize. The profile rings 13th , 14th can do this from above onto the base ring 10 can be put on and removed again upwards. Each profile ring has both for holding and for alignment in the radial direction r and in the circumferential direction U 13th , 14th on its underside a pair of diametrically opposite recesses in the form of two bores (not shown), in each of which a centering pin can be received (not shown). The base ring 10 has the corresponding four recesses on its top 11 as holes 11 on, in which the centering pins (not shown) can be received.

Die 7 bis 12 zeigen jeweils ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft F(ϑ) über den Umfangswinkel ϑ für ein erstes bis sechstes Profil des Eisenkerns 10, 13, 14 des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers 1. Durch verschiedene harmonische Verläufe können stetige magnetische Anziehungskräfte F(ϑ) ausgeübt werden, welche z.B. einen sinusförmigen Verlauf haben können, vgl. 7. Die 8 zeigt z.B. eine Fourierreihe in Form der Überlagung mehrerer harmonischer Funktionen mit unterschiedlichen Frequenzen. Es sind jedoch auch unstetige unterbrochene Verläufe möglich, um derartige magnetische Anregungen zu betrachten, vgl. 9 und 11. Beispielsweise zeigt die 9 diskrete Ausprägungen, die einer harmonischen Funktion folgen. Die 10 zeigt den Verlauf, welcher aus einem zufälligen Oberflächenprofil resultiert. Die 11 zeigt einen einzelnen Sägezahn als Verlauf. Ferner zeigt die 12 zwei phasenverschobene Funktionen der Profilringe 13, 14.The 7th to 12 each show a diagram of the magnetic attraction force F (ϑ) over the circumferential angle ϑ for a first to sixth profile of the iron core 10 , 13th , 14th of the electromagnetic vibration exciter according to the invention 1 . By different harmonic progressions, constant magnetic attractive forces F (ϑ) can be exerted, which, for example, can have a sinusoidal progression, cf. 7th . The 8th shows, for example, a Fourier series in the form of the superposition of several harmonic functions with different frequencies. However, discontinuous, interrupted courses are also possible in order to consider such magnetic excitations, cf. 9 and 11 . For example, the 9 discrete characteristics that follow a harmonious function. The 10 shows the course that results from a random surface profile. The 11 shows a single sawtooth curve. Furthermore, the 12 two phase-shifted functions of the profile rings 13th , 14th .

Auf diese Art und Weise können erfindungsgemäß gezielt verschiedene magnetische Anregungen mit vergleichsweise großen Amplituden der gewünschten grundharmonischen Anregungsfrequenz EO1 auf die Schaufeln 21 eines Schaufelkranzes 2 ausgeübt werden, um die hieraus resultierenden Messergebnisse z.B. mit den Ergebnissen eines Simulationsprogramms zur Auslegung von Schaufeln 21 zu vergleichen und hierdurch das Simulationsprogramm zu verbessern.In this way, according to the invention, various magnetic excitations with comparatively large amplitudes of the desired fundamental harmonic excitation frequency EO 1 can be applied to the blades in a targeted manner 21st of a blade ring 2 can be exercised in order to compare the measurement results resulting therefrom, e.g. with the results of a simulation program for the design of blades 21st to compare and thereby improve the simulation program.

Mit anderen Worten gelingt es durch die vorliegende Erfindung, ein genau definiertes, kontinuierliches Anregungskraftprofil F(ϑ) auf eine Beschaufelung 2 aufzuprägen. Dies ist mit bestehenden Anregungskonzepten derzeit nicht möglich. Der eingangs erläuterte Nachteil bestehender Anregungskonzepte des Auftretens höher-harmonischer, störender Anregungsfrequenzen EO2 etc. kann mit der vorliegenden Erfindung deutlich besser als bisher bekannt vermieden werden. Damit wird es erstmals möglich, das Anregungskraftprofil F(ϑ) in experimentellen Versuchen möglichst genau zu kennen und zu kontrollieren. Es kann insbesondere die Validierung der Berechnungsprogramme zur Simulation des dynamischen Verhaltens von Beschaufelungen 2 verbessert werden.In other words, the present invention succeeds in producing a precisely defined, continuous excitation force profile F (ϑ) on a blading 2 to impress. This is currently not possible with existing suggestion concepts. The disadvantage of existing excitation concepts of the occurrence of higher harmonic, disruptive excitation frequencies EO 2 etc., explained at the beginning, can be avoided with the present invention much better than previously known. This makes it possible for the first time to know and control the excitation force profile F (ϑ) as precisely as possible in experimental tests. In particular, it can validate the calculation programs for simulating the dynamic behavior of blading 2 be improved.

Das entstehende Magnetfeld ist bei Wahl eines entsprechenden Verlaufs der Oberseiten 13a, 14a der Profilringe 13, 14 über den Umfang U stetig und hat keine starken Gradienten. Dadurch wird ebenfalls die eingangs erwähnte sehr starke Erwärmung der Schaufeln 21 durch die Anregung mit einzelnen Magneten vermieden.The resulting magnetic field is when a corresponding course of the upper sides is selected 13a , 14a the profile rings 13th , 14th about the scope U steady and has no strong gradients. This also causes the very strong heating of the blades mentioned at the beginning 21st avoided by excitation with individual magnets.

Die vorliegende Erfindung kann neben der universitären Forschung auch im industriellen Auslegungsprozess z.B. der Turbinenhersteller verwendet werden. Durch die mit der vorliegenden Erfindung bessere Möglichkeit der Validierung der Berechnungsprogramme können real ausgeführte Beschaufelungen 2 in Zukunft sicherer und zeiteffizienter ausgelegt werden. Die höhere Genauigkeit im Auslegungsprozess kann zu besseren Eigenschaften der Schaufeln 21 führen, wodurch letztendlich der Wirkungsgrad der Turbine bzw. des Triebwerks steigt.In addition to university research, the present invention can also be used in the industrial design process, for example by turbine manufacturers. As a result of the better possibility of validating the calculation programs with the present invention, actually executed blading can be achieved 2 be designed to be safer and more time-efficient in the future. The higher accuracy in the design process can lead to better properties of the blades 21st lead, which ultimately increases the efficiency of the turbine or the engine.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

αα
Konstanteconstant
AA.
Querschnittsfläche des magnetischen Kreises bzw. Oberfläche des Eisenkerns 10, 13, 14 des inneren Profilrings 13 oder des äußeren Profilrings 15Cross-sectional area of the magnetic circuit or surface of the iron core 10 , 13th , 14th of the inner profile ring 13th or the outer profile ring 15
d (ϑ)d (ϑ)
Abstand des inneren Profilrings 13 und/oder des äußeren Profilrings 15 von der Schaufel 21 in der Höhe Z über den Umfangswinkel ϑ; LuftspaltDistance of the inner profile ring 13th and / or the outer profile ring 15th from the shovel 21st in height Z over the circumferential angle ϑ; Air gap
F (ϑ)F (ϑ)
magnetische Anziehungskraft über Abstand d (ϑ) über den Umfangswinkel ϑmagnetic attraction over distance d (ϑ) over the circumferential angle ϑ
h (ϑ)h (ϑ)
veränderliche Dicke bzw. Höhe des Eisenkerns 10, 13 14 des inneren Profilrings 13 und/oder des äußeren Profilrings 15 in der Höhe Z über den Umfangswinkel ϑvariable thickness or height of the iron core 10 , 13th 14th of the inner profile ring 13th and / or the outer profile ring 15th in height Z over the circumferential angle ϑ
h0 h 0
Nullabstand in der Höhe Z; Höhe Z des kleinsten Minimums 16 Zero distance in height Z ; height Z the smallest minimum 16
µ0 µ 0
magnetische Feldkonstantemagnetic field constant
rr
radiale Richtung zur vertikalen Richtung Z radial direction to vertical direction Z
Rm R m
magnetischer Widerstand des Eisenkerns 10, 13, 14 magnetic resistance of the iron core 10 , 13th , 14th
ϑϑ
Umfangswinkel um vertikale Richtung Z Circumferential angle around vertical direction Z
UU
Umfangsrichtung senkrecht zur radialen Richtung rCircumferential direction perpendicular to the radial direction r
Um U m
magnetische Spannungmagnetic tension
ZZ
vertikale Richtung; Höhe vertical direction; height
EOi EO i
i-te Anregungsfrequenzi-th excitation frequency
EO0 EO 0
konstanter Term der Anregungsfrequenzenconstant term of the excitation frequencies
EO1 EO 1
erste bzw. grundharmonische Anregungsfrequenzfirst or fundamental harmonic excitation frequency
EO2 EO 2
zweite Anregungsfrequenz bzw. erste Oberwellesecond excitation frequency or first harmonic
EO3 EO 3
dritte Anregungsfrequenz bzw. zweite Oberwelle third excitation frequency or second harmonic
11
elektromagnetischer Schwingungsanregerelectromagnetic vibration exciter
1010
Basisring des EisenkernsBase ring of the iron core
10a10a
radial innerer Schenkel des Basisrings 10 radially inner leg of the base ring 10
10b10b
radial äußerer Schenkel des Basisrings 10 radially outer leg of the base ring 10
10c10c
Innenraum des Basisrings 10 Interior of the base ring 10
1111
Steckverbindungaufnahme; Aussparungen bzw. Bohrungen für ZentrierstiftePlug connection receptacle; Recesses or holes for centering pins
1212
Durchführung für elektrische Anschlüsse der Feldspule 16 Bushing for electrical connections of the field coil 16
1313
innerer Profilring des Eisenkernsinner profile ring of the iron core
13a13a
Oberseite des inneren Profilrings 13 Top of the inner profile ring 13th
1414th
äußerer Profilring des Eisenkernsouter profile ring of the iron core
14a14a
Oberseite des äußeren Profilrings 14 Top of the outer profile ring 14th
1515th
FeldspuleField coil
1616
Minimum der Höhe h(ϑ) bzw. Maximum des Abstands d (ϑ)Minimum of height h (ϑ) or maximum of distance d (ϑ)
1717th
Maximum der Höhe h(ϑ) bzw. Minimum des Abstands d (ϑ) Maximum of height h (ϑ) or minimum of distance d (ϑ)
22
Schaufelkranz; BeschaufelungBlade ring; Blading
2020th
SchaufelkörperBlade body
2121st
SchaufelnShovels

Claims (14)

Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) zur Schwingungsanregung der Schaufeln (21) eines rotierenden Schaufelkranzes (2), mit wenigstens einem Eisenkern (10, 13, 14), welcher zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Umfangsrichtung (U) über einen Umfangswinkel (ϑ) ringförmig ausgebildet ist, wobei der Eisenkern (10, 13, 14) ferner ausgebildet ist, in Umfangsrichtung (U) senkrecht zu den Schaufeln (21) angeordnet zu werden, so dass wenigstens eine Oberseite (13a, 14a) des Eisenkreises (10, 13, 14) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen Abstand (d(ϑ)) in der Höhe (Z) zu den Schaufeln (21) aufweist, und mit wenigstens einer Feldspule (15), welche ausgebildet ist, elektrisch versorgt zu werden und ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches zumindest abschnittsweise durch den Eisenkern (10, 13, 14) hindurch, durch die Schaufeln (21) hindurch und über den Abstand (d(ϑ)) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d(ϑ)) über den Umfangswinkel (ϑ) wenigstens eine Veränderung in der Höhe (Z) aufweist.Electromagnetic vibration exciter (1) for exciting vibrations of the blades (21) of a rotating blade ring (2), with at least one iron core (10, 13, 14) which, at least in sections, preferably continuously, in the circumferential direction (U) over a circumferential angle (ϑ) is ring-shaped, the iron core (10, 13, 14) also being designed to be arranged in the circumferential direction (U) perpendicular to the blades (21), so that at least one upper side (13a, 14a) of the iron circle (10, 13 , 14) at least in sections, preferably continuously, at a distance (d (ϑ)) in height (Z) from the blades (21), and with at least one field coil (15) which is designed to be electrically supplied and a to generate an electromagnetic field which runs at least in sections through the iron core (10, 13, 14), through the blades (21) and over the distance (d (ϑ)), characterized in that the distance (d (ϑ) ) about the scope swinkel (ϑ) has at least one change in height (Z). Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d(ϑ)) über den Umfangswinkel (ϑ) eine Mehrzahl von Veränderungen in der Höhe (Z) aufweist.Electromagnetic vibration exciter (1) according to Claim 1 , characterized in that the distance (d (ϑ)) has a plurality of changes in height (Z) over the circumferential angle (ϑ). Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung(en) in der Höhe (Z) in der Umfangsrichtung (U) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, stetig ist/sind.Electromagnetic vibration exciter (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the change (s) in height (Z) in the circumferential direction (U) is / are at least in sections, preferably continuously. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d(ϑ)) über den Umfangswinkel (ϑ) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen harmonischen Verlauf in der Höhe (Z) aufweist.Electromagnetic vibration exciter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the distance (d (ϑ)) over the circumferential angle (ϑ) at least in sections, preferably continuously, has a harmonic course in height (Z). Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d(ϑ)) über den Umfangswinkel (ϑ) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Höhe (Z) einem Verlauf einer fouriertransformierbaren Funktion entspricht.Electromagnetic vibration exciter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the distance (d (ϑ)) over the circumferential angle (ϑ) at least in sections, preferably continuously, in height (Z) corresponds to a curve of a Fourier transformable function. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung(en) in der Höhe (Z) in der Umfangsrichtung (U) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, sprungartig ist/sind.Electromagnetic vibration exciter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the change (s) in height (Z) in the circumferential direction (U) is / are at least partially, preferably continuously, abruptly. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (10, 13, 14) U-förmig ausgebildet ist, so dass von dem Eisenkern (10, 13, 14) ein nach oben offener Innenraum (10c) gebildet wird, wobei die Feldspule (15) innerhalb des Innenraums (10c) angeordnet ist.Electromagnetic vibration exciter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the iron core (10, 13, 14) is U-shaped, so that from the iron core (10, 13, 14) an upwardly open interior (10c) is formed, wherein the field coil (15) is arranged within the interior (10c). Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (10, 13, 14) einen Basisring (10) mit einem radial inneren Schenkel (10a) und einem radial äußeren Schenkel (10b) aufweist, wobei die beiden Schenkel (10a, 10b) den Innenraum (10c) radial beidseitig begrenzen, und dass der Eisenkern (10, 13, 14) einen inneren Profilring (13), welcher auf dem radial inneren Schenkel (10a) des Basisrings (10) angeordnet ist, und einen äußeren Profilring (14) aufweist, welcher auf dem radial äußeren Schenkel (10b) des Basisrings (10) angeordnet ist, wobei die Oberseite (13a) des inneren Profilrings (13) und/oder die Oberseite (14a) das äußeren Profilrings (14) die Oberseite (13a, 14a) des Eisenkerns (10. 13, 14) bildet/bilden.Electromagnetic vibration exciter (1) according to Claim 7 , characterized in that the iron core (10, 13, 14) has a base ring (10) with a radially inner leg (10a) and a radially outer leg (10b), the two legs (10a, 10b) forming the interior (10c ) limit radially on both sides, and that the iron core (10, 13, 14) has an inner profile ring (13) which is arranged on the radially inner leg (10a) of the base ring (10), and an outer profile ring (14) which is arranged on the radially outer leg (10b) of the base ring (10), the top (13a) of the inner profile ring (13) and / or the top (14a) the outer profile ring (14) the top (13a, 14a) of the Iron core (10, 13, 14) forms / form. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Profilring (13) und/oder der äußere Profilring (14) austauschbar auf dem Basisring (10) angeordnet ist/sind. Electromagnetic vibration exciter (1) according to Claim 8 , characterized in that the inner profile ring (13) and / or the outer profile ring (14) is / are arranged interchangeably on the base ring (10). Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die Oberseiten (13a, 14a) der Profilringe (13, 14) über den Umfangswinkel (ϑ) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, den gleichen oder einen unterschiedlichen Verlauf aufweisen.Electromagnetic vibration exciter (1) according to Claim 8 or 9 , characterized in that the upper sides (13a, 14a) of the profile rings (13, 14) over the circumferential angle (ϑ) at least in sections, preferably continuously, have the same or a different course. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (10, 13, 14) in der Umfangsrichtung (U) bis auf eine Durchführung (12) der elektrischen Anschlüsse der Feldspule (15) ringförmig geschlossen ist, und dass die Profilringe (13, 14) in der Umfangsrichtung (U) durchgehend ringförmig geschlossen sind.Electromagnetic vibration exciter (1) according to one of the Claims 8 to 10 , characterized in that the iron core (10, 13, 14) is closed in the circumferential direction (U) except for a bushing (12) of the electrical connections of the field coil (15), and that the profile rings (13, 14) in the Circumferential direction (U) are continuously closed in a ring. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilringe (13, 14) formschlüssig, vorzugsweise jeweils durch eine Steckverbindung, und/oder kraftschlüssig, vorzugsweise jeweils durch zumindest ein Paar von Zentrierstiften, auf den Schenkeln (10a, 10b) des Basisrings (10) gehalten werden.Electromagnetic vibration exciter (1) according to one of the Claims 8 to 11 , characterized in that the profile rings (13, 14) are held positively, preferably each by a plug connection, and / or non-positively, preferably each by at least one pair of centering pins, on the legs (10a, 10b) of the base ring (10). Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilringe (13, 14) in der radialen Richtung (r) und/oder in der Umfangsrichtung (U) definiert auf den Schenkeln (10a, 10b) des Basisrings (10), vorzugsweise jeweils durch zumindest ein Paar von Zentrierstiften, positioniert sind.Electromagnetic vibration exciter (1) according to one of the Claims 8 to 12 , characterized in that the profile rings (13, 14) in the radial direction (r) and / or in the circumferential direction (U) defined on the legs (10a, 10b) of the base ring (10), preferably each by at least one pair of Centering pins, are positioned. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Profilring (13) und/oder der äußere Profilring (14) ein ferromagnetisches Material mit hoher Permeabilität aufweist/ausweisen, vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität besteht/bestehen.Electromagnetic vibration exciter (1) according to one of the Claims 8 to 13th , characterized in that the inner profile ring (13) and / or the outer profile ring (14) has / have a ferromagnetic material with high permeability, preferably consists of a ferromagnetic material with high permeability.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113279978B (en) * 2021-03-23 2024-01-26 厦门大学 Compressor and method for weakening acoustic excitation of compressor rotor blade

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE868674C (en) * 1950-12-01 1953-02-26 Norman Dipl-Ing Dix Process for the excitation of bodies that can vibrate, in particular blading in flow machines (steam turbines, axial compressors, etc.) for the purpose of determining natural frequencies, resonance-sensitive excitation areas, the associated vibration forms and testing for fatigue strength
GB934164A (en) * 1961-07-26 1963-08-14 Ass Elect Ind Improvements in or relating to the testing of bladed wheels, especially turbine wheels
DE4334799A1 (en) * 1993-10-13 1995-04-20 Mtu Muenchen Gmbh Device for testing impeller vanes (blades)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL93957C (en) * 1955-03-29 1959-11-16
DE102007016369A1 (en) * 2007-04-03 2008-10-09 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Method for determining the blade pitch on wheels in integral design
EP2096652B1 (en) * 2008-02-27 2011-08-24 Ansaldo Energia S.P.A. Method and device for detecting the natural frequencies of vibration of a turbine blade

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE868674C (en) * 1950-12-01 1953-02-26 Norman Dipl-Ing Dix Process for the excitation of bodies that can vibrate, in particular blading in flow machines (steam turbines, axial compressors, etc.) for the purpose of determining natural frequencies, resonance-sensitive excitation areas, the associated vibration forms and testing for fatigue strength
GB934164A (en) * 1961-07-26 1963-08-14 Ass Elect Ind Improvements in or relating to the testing of bladed wheels, especially turbine wheels
DE4334799A1 (en) * 1993-10-13 1995-04-20 Mtu Muenchen Gmbh Device for testing impeller vanes (blades)

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