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Resonanz -Vibriereinrichtung zur Durchführung von Ermüdungsprüfungen
an Turbinenschaufeln und ähnlichen Maschinenteilen Die Erfindung betrifft eine Resonanz-Vibriereinrichtung
zur Durchführung von Ermüdungsprüfungen an Turbinenschaufeln oder ähnlichen Maschinenteilen,
welche während des Betriebes durch Biegeschwingungen beansprucht werden.
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Eine der wichtigsten Teilaufgaben bei der dynamischen Werkstoffprüfung
von durch Bewegungsschwingungen beanspruchten Bestandteilen, wie z. B. der Schaufeln
von Strömungsmaschinen, d. h. Dampf-oder Gasturbinen, Axialverdichtern u. dgl.,
ist die Ermüdungsprüfung, bei der es erforderlich ist, die ungünstige Beanspruchung
dieser Bestandteile im Betrieb für lange Zeitabschnitte nachzuahmen. Die Ermüdungsprüfungen
werden in diesem Fall durch Erregen von Resonanzschwingungen des geprüften Bestandteiles
für jede gegebene Form der Biegungslinie durchgeführt, d. h. von Schwingungen mit
einem oder mehreren Knotenpunkten. Aus der Schwingungstheorie ist es bekannt, daß
die Form der dynamischen Biegungslinie bei Resonanzschwingungen in erster Linie
von der Verteilung der Massen und der Steifigkeiten entlang des geprüften Bestandteiles
abhängt, was eine Unverläßlichkeit der Prüfung und eine wesentliche Verzerrung der
Ergebnisse als Folge hat.
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Falls man verläßliche Ergebnisse der Ermüdungsprüfung erzielen will,
muß man die Resonanzschwingungen der erwünschten Schwingungszahl ohne Zugabe von
weiteren Zusatzmassen und Steifigkeiten zum geprüften Bestandteil erregen.
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Es wurden schon verschiedene Vorschläge zur Lösung dieser schwierigen
Aufgabe gemacht. Die bekannten Anordnungen erfüllen jedoch nicht die an sie gestellten
hohen Anforderungen.
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Es sind z. B. Anordnungen bekannt, wo Schwingungen in der Schaufel
durch besondere an die Schaufelspitze befestigte Federn erregt werden. Diese Federn
müssen so beschaffen sein, daß ihre Steifigkeit und Masse vernachlässigbar sind.
Diese Bedingung ist jedoch schwer erfüllbar, praktisch lediglich in Fällen mit niedriger
Eigenfrequenz.
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Bei Bestandteilen aus ferromagnetischem Material kann ein einfacheres
Erregungsverfahren angewendet werden mittels eines direkt auf den geprüften Bestandteil
einwirkenden Elektromagneten. Hier fällt selbstverständlich die Zusatzmasse vollkommen
weg, die Wirkung des Elektromagneten auf den geprüften Gegenstand kann jedoch als
gleichwertig einer zusätzlichen Steifigkeit betrachtet werden, die auf den geprüften
Bestandteil einwirkt, da sich beim Schwingen die Größe des Luftspaltes zwischen
Elektromagnet und dem schwingenden Bestandteil ändert.
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Die so auftretende zusätzliche Steifigkeit erreicht be-
trächtliche
Werte. Es ist aber zu bemerken, daß im Gegensatz zur Feder diese Steifigkeit einen
negativen Wert besitzt.
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Zum Ausschalten sowohl des Zusatzgewichtes als auch der Zusatzsteifigkeit
wird für Ermüdungsprüfungen eine Reihe von Anordnungen verwendet, welche Modifikationen
eines Schwingungstisches sind, auf welchem der geprüfte Bestandteil, z. B. die Schaufel,
befestigt wird. Die Biegeschwingungen der Schaufel werden hier durch seismische
Wirkung der Schaufelmasse erregt. Es ist augenscheinlich, daß diese seismische Wirkung
eine Rückwirkung auf die Tischschwingungen haben wird, und um diesen Nachteil womöglich
zu vermeiden, ist es nötig, die Schaufelmasse gegenüber der Masse des schwingenden
Tisches (Vibrators) vernachlässigbar zu machen. Das Verhältnis beider Massen muß
innerhalb der Grenzen 100 bis 1000 sein. Die nötige Massenvergrößerung des Vibrators
erfordert jedoch zur Erzielung der benötigten Schwingungsgröße eine kostspielige
und komplizierte Erregerapparatur; so sind z. B. bei Schwingungserregern mit elektrischer
Speisung sehr kostspielige Verstärker mit hohen Leistungen erforderlich.
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Eine bekannte Resonanz-Vibriereinrichtung weist einen Träger in Form
eines Stabes auf, der zwischen seinen beiden Enden auf einer Schneide gelagert ist,
die von einer Grundplatte aufragt. An einem Ende
des Stabes ist
der Prüfling eingespannt, während das andere Ende mittels federnder Glieder mit
der Grundplatte so verbunden ist, daß zwischen zwei gegeneinander gerichteten, von
je einer Spule umgebenden Kernen, die zwischen den verbindenden Federgliedern und
der Schneide angeordnet sind und von denen der eine am Träger und der andere an
der Grundplatte angebracht ist, ein Luftspalt besteht. Der von den beiden Spulen
und den Kernen gebildete Elektromagnet wird mit Wechselstrom gespeist, so daß der
Träger in Schwingungen versetzt wird. Nahe der Einspannstelle ist am Prüfling ein
Schwingungsabtaster vorgesehen, welcher die aufgenommenen Impulse über einen Verstärker
weiterliefert und so für die Aufrechterhaltung der Schwingung, insbesondere mit
gleichbleibender Frequenz, sorgt.
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Wie bei der eingangs besprochenen Anordnung werden auch hier zusätzliche
Massen und Steifigkeiten nicht vernachlässigbarer Größe in Form von federnden Gliedern
im Schwingungssystem verwendet, so daß die vorbekannte Resonanz-Vibriereinrichtung
auch die gleichen Mängel aufweist.
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Die Erfindung geht von der zuletzt erwähnten, mit Schwingungsabtaster
am Prüfling versehenen Anordnung aus und hat sich zur Aufgabe gemacht, eine derartige
Vorrichtung so zu verbessern, daß mit ihr Schwingungen in einem Bereich erzeugt
werden können, in dem auch hohe Schwingungszahlen, wie z. B.
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2000 pro Sekunde, eingeschlossen sind. Diese hohen Schwingungszahlen
sind für die Ermüdungsprüfungen an Turbinen- und Kompressorenschaufeln unerläßlich.
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Das genannte Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der
gegebenenfalls aus einem leichten nicht ferromagnetischen Material bestehende Träger
für die Halterung des Prüflings relativ zu seiner Masse steif ausgeführt wird.
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Im Gegensatz zu der bekannten Ausführung enthält das durch Träger
und Prüfling gebildete Schwingungssystem keine zusätzlichen Massen und Steifigkeiten
in Form federnder Glieder zur Halterung an dem tragenden Teil der Vorrichtung. Vielmehr
ist der Träger an dem dem Prüfling entgegengesetzten Ende fest eingespannt.
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Neben dem obengenannten Fortschritt wird eine wesentliche Besserung
der technischen Eigenschaften der Anordnung ermöglicht, namentlich die Verminderung
des Vibratorgewichtes und dadurch eine Herabsetzung der Anforderungen an die Speisequellen.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungen des Erfindungsgegenstandes
zur näheren Erläuterung des Prinzips und der Wirkungsweise dargestellt.
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Fig. 1 veranschaulicht das grundsätzliche Schema der Anordnung. Der
geprüfte Bestandteil - die Schaufel 1 - ist mit ihrer Wurzel 11 durch eine Backe
2 und Schrauben 3 am freien Ende eines eingespannten Trägers 4 so befestigt, daß
ihre Längsachse ungefähr eine Verlängerung der Längsachse des Trägers 4 bildet.
Zur Raumersparnis könnte die Schaufell auch in umgekehrtem Sinn angeordnet werden.
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Eine wichtige Voraussetzung der richtigen Wirkungsweise ist jedoch,
daß beide Längsachsen, d. h. sowohl des Trägers 4 als auch der Schaufel 1, wesentlich
parallel sind. Das Ende 42 des Trägers 4 ist in einer festen Wand 5 starr befestigt.
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Auf das freie Ende des Trägers 4 wirkt eine veränderliche Kraft P
ein, die Schwingungen erzeugt.
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Die Abmessungen des Trägers 4 mit Einspannvorrichtung2, 3 der Schaufel
11 sind nun derart, daß die
niedrigste Schwingungsfrequenz der freien Schwingungen
des ganzen Systems, d. h. des Trägers 4 und der Einspannvorrichtung2, 3, die Masse
der Schaufel 1 inbegriffen, hoch oberhalb des Frequenzbereiches der Schwingungen
der geprüften Schaufel 1 sind. Bei diesem System ist in jedem Punkt die Schwingungsamplitude
der einwirkenden Kraft P proportional, wobei die Amplitude des freien Endes 41 des
Trägers 4 gegenüber der Amplitude des freien Endes 12 der Schaufel 1 sehr klein
ist.
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Dynamisch ist es möglich, dieses mit Biegeschwingungen schwingende
System mit einem äquivalenten System für lineare Schwingungen zu vergleichen, wie
dies in Fig. la dargestellt ist. In diesem Schema ist der Träger 4 durch eine Steifigkeit
4c und Masse 4m dargestellt, und ähnlich bedeutet 1 c die äquivalente Steifigkeit
der Schaufel, während lm ihre äquivalente Masse ist. Falls die Eigenfrequenz der
Schwingungen des Systems beider mittels der Steifigkeiten (Federn 4 c) an der Grundmasse
5z angehängten Massen 4m und im bedeutend höher ist als die Eigenfrequenz des Systems,
1 c, genügt für die Erregung von Resonanzschwingungen des Systems 1 m, 1 c lediglich
ein geringes Ausschwingen der Masse 4, allerdings mit der Frequenz dieser Resonanzschwingungen.
Solche Systeme sind in der Dynamik bekannt und werden zur Dämpfung von Schwingungen
verwendet. Das Systemim, 1c bildet also einen sogenannten dynamischen Dämpfer des
Systems4c, 4m, denn im Falle einer Schwingungsfrequenz, die der Resonanzfrequenz
des dynamischen Dämpfers im, 1 c gleich ist, werden die Schwingungen der Masse4m
praktisch abgedämpft.
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Bei der alternativen Anordnung nach Fig. 2 ist der Träger, an welchem
der geprüfte Bestandteil eingespannt wird, als ein Arm 4' eines fest eingespannten
Bügels 5' ausgeführt. Das Prinzip und die Wirkungsweise des Systems ändern sich
durch diese Anordnung keineswegs. Es ist natürlich erforderlich, bei der Berechnung
auch die Form des Trägers in Erwägung zu ziehen, die einen wesentlichen Einfluß
auf die Frequenz seiner freien Schwingungen haben wird.
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In Fig. 3 ist eine Anordnung zum elektrischen Erregen und Abnehmen
von Schwingungen beim System gemäß Fig. 1 oder 2 angedeutet.
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Das Erregen wird mittels eines Elektromagneten 6 durchgeführt, der
mit Wechselspannung bei Resonanzfrequenz des geprüften Systems, d. h. der Schaufel
1, gespeist wird. Diese bekannte Erregung ist sehr vorteilhaft. Es ist nämlich erforderlich,
um die Frequenz der freien Schwingungen des Trägers 4 sicher oberhalb aller Frequenzen
der geprüften Schaufelschwingungen zu erhalten, den Träger 4 sehr steif durchzuführen.
Dieser Umstand ermöglicht es, einen starken Elektromagneten 6 anzuwenden, der lediglich
durch einen geringen Luftspalta vom Ende der Trägerkante entfernt ist. Die Wahl
eines kleinen Luftspaltes ist hier allerdings gleichzeitig auch dadurch bedingt,
daß die Vibrationen des Trägers 4 im Betrieb sehr klein sind. Sie werden nämlich
durch die Schaufell gedämpft, die mit freien Schwingungen schwingt und, wie schon
früher erwähnt wurde, einen dynamischen Dämpfer des Trägers 4 bildet.
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Im Falle, daß ein Träger 4 aus nicht ferromagnetischem Material verwendet
wird, kann seine elektromagnetische Erregung durch einen Elektromagneten 6 so geschehen,
daß das Ende des Trägers 4 einen an sich bekannten Einsatz7 erhält, der aus Transformatorblechen
zusammengesetzt
ist, wie auch in Fig. 3 angedeutet ist. Diese Anordnung ist auch für einen Träges
4 aus Stahl vorteilhaft.
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Die Ausführung des Systems gemäß Fig. 3 ermöglicht ferner ein sehr
einfaches Abnehmen bzw. Messen der Amplitude und Frequenz der geprüften Schaufel.
Der auf einem schmalen Ansatz 45 des Trägers 4 befestigte Abnehmer 8 mißt die relative
Bewegung zwischen dem Ende 41 des Trägers 4 und der Stelle 13 in der Nähe der Sohle
der Schaufel 11.
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Es ist sehr leicht, die Größe des Ausschlages im Berührungspunkt
13 auf die Größe des Ausschlages des Endes 12 der Schaufell überzuführen, bzw. ist
es möglich, nach Bedarf das Meßinstrument oder den Abnehmer 8 direkt mit Bezug auf
die Schwingungen des Schaufelendes 12 zu eichen.
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In Fig. 3 ist ferner noch eine bekannte, sehr wirksame und im Betrieb
verläßliche Schwingungserregung mit sogenannter positiver Rückkopplung dargestellt.
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Hier wird die Erregerspule 61 des Elektromagneten 6 durch elektrische
Wechselspannung gespeist, deren Quelle der Abnehmer 8 ist. Vom Abnehmer 8 wird die
den Schwingungen im Punkt 13 der Schaufel proportionale elektrische Spannung dem
Verstärker 9 zugeführt, wo zwecks Stabilisierung der Schwingungserregung auch ein
Phasenschieber eingeschaltet werden kann. Die Wechselspannung von einer genügend
großen Amplitude mit einer Frequenz der freien Schwingungen der Schaufel und geeigneter
Phasenverschiebung bewirkt die Erregung des Elektromagneten 6, so daß alle äußeren
Einflüsse, wie Temperatur, Materialermüdung u. dgl., selbsttätig kompensiert werden
und der geprüfte Bestandteil während der ganzen Prüfungsdauer mit seiner eigenen
Frequenz schwingt.
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Bei Anwendung der elektromagnetischen Erregung kann man sich die
Wirkung des Elektromagneten als eine fiktive Feder mit negativer Steifigkeit vorstellen,
wobei die Größe dieser Steifigkeit von der Größe des
Magneten und indirekt von der
Einstellung des Luftspaltes abhängt. Diese zusätzliche Steifigkeit bezieht sich
jedoch lediglich auf den Träger 4 und hat überhaupt keinen Einfluß auf den eigentlichen
geprüften Gegenstand 1, welcher ohne jegliche Zusatzmassen oder Steifigkeiten praktisch
unter denselben Bedingungen schwingt, als wenn seine Eigenschwingungen im Betrieb
erregt würden.