DE1648497A1

DE1648497A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Auswuchten von Rotoren

Info

Publication number: DE1648497A1
Application number: DE19671648497
Authority: DE
Inventors: Nunnikhoven Joe Duane; Parker Wilton Everts
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1966-11-25
Filing date: 1967-11-24
Publication date: 1971-05-27
Also published as: GB1178337A; US3499136A

Description

Dipl.-Ing. Kurt Lengner

„ , 2 Hamburg 26, den 23· November 67

Patentanwalt JordanatraBe 7 Dirl -InF T^CΓ ^τ -T ^? 3-M-\NN Telafon 25Ο47 49

uipi. ing. J ■- -. ι-· - ^ --j— - ± · Telegrammadresse: eermanpat Patentanwalt

1648497 Unsere Akte: 109V8l

The Garrett Corporation
9851 - 9951, Sepulveda Boulevard, Los Angeles, California, USA.

Verfahren und Vorrichtung zum Auswuchten von Rotoren.

Die Erfindung bezieht sich auf das Auswuchten von Rotoren und be trifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswuchten von ro tierbaren Gegenständen, die im folgenden als Rotoren bezeichnet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verminderung der Unwucht eines Rotors ist dadurch gekennzeichnet, daß man den Rotor in im wesent liehen festen Lagern rotieren läßt, eine Komponente der infolge der Unwucht auf die Lager ausgeübten resultierenden Rotationskraft son diert, ein Signal synchron mit dem Durchgang der resultierenden Kraft durch eine gegebene Winkellage erzeugt und dann das Signal zum Triggern eines Impuls von konzentrierter Energie benutzt., die Material von einem Teil des Rotors entfernt, der eine vorbestimmte Winkel lage einnimmt, ohne daß dabei zusätzliche Unwuchtkräfte auf dem Rotor ausgeübt werden.

Zweckmässig entfernen die Energieimpulse Material von dem Rotor durch Verdampfen. Beispielsweise können die Energieiropulse von einem Laser stammen oder Material kann durch Funkenerosion entfernt werden.

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Zweckmässig wird die Kraftkomponente in einer die Achse enthalten den, vorbestimmten Ebene sondiert und ein Signal beim Nulldurch gang erzeugt. Das Triggern des Energieimpulses kann, um eine ein stellbare Verzögerungszeit nach dem Signal verzögert werden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Verminde rung der Unwucht eines Rotors. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der der Rotor in im wesentlichen festen Lagern rotiert, ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Sondieren einer Komponente der infolge der Unwucht auf die Lager ausgeübten resultierenden Rotations· k kraft, Mittel zur Erzeugung eines Signals synchron mit dem Durch gang der resultierenden Kraft durch eine gegebene Winkellage, eine Impulsquelle konzentrierter Energie zur Ausrichtung dieser Energie auf den Rotor zur Materialentfernung von einem Teil des Rotors, der eine vorbestimmte Winkellage einnimmt, ohne daß zusätzliche Unwuchtkräfte auf den Rotor ausgeübt werden, und auf das Signal anspre chende Triggermittel zur zeitlichen Regelung der Impulse vorgesehen sind. Die Impulsquelle kann einen Laser enthalten..

Die Vorrichtung kann weiter einen Impulsgeber enthalten, der von einem die Größe der Kraf tkompoiierite darstellenden Signal einen scharfen elektrischen Impuls an einem gegebenen Punkt der Kreisfrequenz des Signals erzeugt, beispielsweise beim Nulldurchgang des Signals.

Ferner kann ein Teiler zur Erzeugung eines Signals vorgesehen sein, das sich einmal für eine gegebene Anzahl von Umdrehungen wieder holt, und aus einem Signal abgeleitet ist, das sich Jede Umdrehung einmal wiederholt.

Bisher war es allgemein üblich, einen Rotor zum Auswuchten in einer Vorrichtung in Rotation zu versetzen, um die Lage und Grosse der Unwuchtmasse zu bestimmen, und dann den Rotor aus der Vorrichtung herauszunehmen, um eine kleine Materialmenge vom Rutor abzufrasen.

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Die Anzahl der Wiederholungen dieses Arbeitsvorganges ist abhängig von der für den Rotor verlangten Güte des Auswuchtens. Somit war die Auswuchtung eines Rotors für eine hochtourige Maschine, bei der ein hoher Grad des Auswuchtens verlangt wird, eine kostspielige und zeitraubende Angelegenheit, da der Arbeitsgang des Auswuchtens viele Male wiederholt werden mußte. Wenn schließlich der Rotor in einer Gasturbine verwendet wird, kann er bei Geschwindigkeiten ar beiten, die elastische Verformungen im Rotor verursachen. Deshalb ist der oben beschriebene Arbeitsgang des Auswuchtens nicht durch führbar, weil der Rotor aus seinen Lagern herausgenommen, ausge wuchtet und wieder eingebaut werden muß. Die Charakteristik der wieder zusammengebauten Einheit kann dann eine andere sein, weil die relative Lage der Teile zueinander gestört sein kann, so daß sich andere Rotationscharakteristiken zeigen, wodurch immer noch eine Unwucht besteht.

Diese Nachteile werden ganz oder weitgehend durch die Erfindung beseitigt. Gemäß der Erfindung braucht der Rotor nicht wiederholt aus der Maschine genommen zu werden oder überhaupt nicht, und es wer den auch keine Kräfte auf den Rotor ausgeübt, die ihn verziehen könnten. Gemäß der Erfindung kann der Rotor sogar in der Maschine in der Lage ausgewuchtet werden, die er später endgültig einnimmt, beispielsweise in einer Turbine.

Palis der Laser oder eine andere Energiequelle zeitlich richtig eingestellt ist bezüglich der Lage der Quelle und der Sondier mittel, wird er automatisch Material von dem richtigen Teil des Ro ;ors entfernen, der als der Unwuchtpunkt bezeichnet werden kann, so daß keine Einstellung erforderlich ist. Es kann jedoch wünschenswert sein, einstellbare Verzögerungsmittel vorzusehen zur Verzögerung des Triggerns jedes Energieimpulses um einen einstellbaren Zeitabschnitt in Bezug auf das auslösende Signal und damit der Rotorstellung, bei der das Triggern erfolgt. Um feststellen zu können, ob eine Einstellung erforderlich ist, kann ein Oszillograph zur graphischen Darstellung der Signale der Sondiermittel vorgesehen sein derart, daß die Amplitude und Phasenlage des Oszillogramms

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anzeigt, von welchem Teil des Rotors in Bezug auf die Unwucht Material entfernt wird. Falls die Impulse zeitlich richtig eingestellt sind und Material von dem schweren Unwuchtpunktpunkt entfernen, wird das Oszillogramm, das eine die Komponente der resultierenden Rotations -. kraft darstellende Sinusschwingung ist, sich phasenmässig nicht ändern, aber in der Amplitude fortlaufend abnehmen entsprechend der Abnahme der Unwucht. Falls andererseits die Impulse entgegengesetzte Phase hätten, würde die Phasenlage des Oszillogramms wieder unverän dert bleiben, aber die Amplitude würde fortlaufend steigen. Für alle anderen Einstellungen des Lasers wird die Phasenlage des Oszillo gramms allmählich wandern. Somit zeigen Phase und Amplitude des Os zillogramms an, ob Material von der richtigen Stelle des Rotors entfernt wird, nämlich von dem schweren Unwuchtpunkt. Anderenfalls zeigt ** die Richtung der Phasenverschiebung an, in welcher Richtung eine Einstellung nötig ist.

Im folgendem wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Rotor, der in einer Auswuchtungsvorrichtung mon tiert ist, die einen Laser enthält.

Fig. 2 ist ein Blockschema eines Regelkreises für den Laser und die Auswuchtungsvorrichtung.

) Fig. 1 zeigt einen Rotor 11 mit einer Welle 1J>, die in geeigneten Lagern 12 befestigt ist, um um eine horizontale Achse zu rotieren. Jedes Lager ist innerhalb eines U-förmigen Trägers 14 durch zwei biegsame Streifen 15 gehalten, die einer horizontalen Querbewegung des Lagers keinen Widerstand entgegensetzen, so daß die Lager 12 sich ohne Widerstand senkrecht zur Rotationsachse des Rotors nur in hori zontaler Richtung bewegen können. Zwischen den biegsamen Streifen 15 und den U-förmigen Trägern 14 sind geeignete Wandler 16, wie ge zeigt, angeordnet, die jede Bewegung zwischen den beiden in elektrische Signale umwandeln. Die U-förmigen Träger 14 sind auf einem Tisch 17 befestigt und können mittels der Schlitze l8 gegeneinander verstellt werden, so daß verschieden große Rotoren in der Vorrich -

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tung ausgewuchtet werden können. Zum Rotieren des Rotors sind An triebsmittel vorgesehen, und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Elektromotor 19 vorgesehen, der eine Riemenscheibe 21 auf weist, über die der Rotor 11 mittels eines Treibriemens 22 in Rota tion versetzt wird. Wenn jedoch der Rotor bei hoher Geschwindigkeit geprüft werden soll, beispielsweise bei 40 000 U/min., können andere Antriebsmittel wie eine Luftturbine benutzt werden. Zusätzlich ist ein Teil eines Lasers 24 gezeigt, der einen Punkt kohärenten Lichts von sehr hoher Intensität auf den Rotor 11 richtet. "Laser" ist eine Abkürzung für "lightAmplification by Stimulated Emission of Radiation,"

Fig. 2 ist ein Blockschema aus dem hervorgeht, wie der Laser und die Auswuchtungs-Vorrichtung zusammengesetzt ist, so daß der Rotor 11 während des Rotierens ausgewuchtet werden kann. Da der Rotor auf Lagern 12 rotiert, die sich in der Horizontalebene und senkrecht zur Rotationsachse frei bewegen können, und da der radiale Lagerkraftvektor der Unwucht konstante Länge aufweist und um eine horizontale Achse rotiert, variiert seine K mponente in der Horizontalebene in Abhängigkeit von der Zeit wie eine Sinusfunktion. So wandelt der Wandler ΐβ diese sich ändernden Kraftkomponentenvektor in ein elek trisches Signal um, daß im wesentlichen eine Sinusschwingungscharakteristik aufweist. Die Sinusschwingungssignale werden einem ausser Gleichgewicht befindlichen Detektorkreis 26 zugeführt, der jedes der Signale oder einen Teilbetrag von diesen an einen Impulsgeber 27 ankoppelt. Der Impulsgeber erzeugt einen Impuls pro Umdrehung, beispielsweise wenn die Sinusschwingung die Nullinie in negativer Rieh tung kreuzt. So erzeugt der Impulsgeber 27 einen zeitlich genau ab gestimmten, scharfen Impuls für jeden j500° Rotationswinkel des Ro tors 11. Wenn jedoch der Rotor beispielsweise mit 40 000 U/min, ro tiert, könnte der Laser 24 nicht in der Lage sein, einen kohärenten Lichtstrahl bei dieser Frequenz zu blitzen. Daher nlvä ein Impuls teiler 28 benutzt, um die Folgefrequens der Impulse des Impulsgebers 27 zu teilen, beispielsweise durch einen Faktor 3. Mit anderen Wor ten leitet der Impulsteiler 28 jeden dritten Impuls (aer ein ge naues Zeitintervall für drei vollständige Umdrehungen des Rotors darstellt) an einen einstellbaren Impulsverzögerungekreis 29 weiter

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und von dort an den Laserregelkreis j51, der den Laser einen Punkt kohärenten Lichts von hoher Intensität auf den Rotor 11 blitzen läßt. Die Energie des Lichtpunktes kann beispielsweise 15Ο Wattsekunden betragen und ist auf eine sehr kleine Fläche fokussiert. So wird eine kleine Materialmenge bei jedem Laserblitz verdampft (d.h. weggekocht oder in kleinsten Teilchen weggetrieben oder beides)

Es ist zu beachten, daß bei Entfernung von Material keine zusätzliche Kraft auf die Lager gelegt wird. Wenn dann der nächste Triggerimpuls erzeugt wird, stellt der Impuls immer noch die Winkellage der Exzentrizität auf dem Rotor dar. Die wegzudampfende oder wegzutreiben de Materialmenge beträgt, beispielsweise bei einem Alutniniumrotor, ein Fünftel oder mehr eines Milligramms pro Laserblitz.

Um feststellen zu können, ob das Material von der richtigen Stelle entfernt wird, ist ein Oszillograph an den Ausgang des außer Gleichgewicht befindlichen Detektors 26 angeschlossen, um einen Sinus schwingungszug j53 zn erzeugen, der die auf die Lager wirkende Kraftkomponente darstellt. Wenn der Laser 24 im richtigen Augenblick ge - · triggert wird, d.h. wenn die Unwuchtmasse mit der optischen Achse des Lasers ausgerichtet ist, d.h. auf derselben Seite der Rotationsachse wie der Laser, würde die Phase des Sinusschwingungszuges un verändert bleiben, aber seine Amplitude würde fortschreitend abnehmen und dadurch anzeigen, daß kein Abgleich nötig ist. Falls andererseits der Laser 24 getriggert wird, wenn die exzentrische Masse I80 gegenüber dem Laser liegt, so würde die Amplitude der Sinusschwingung zunehmen und sich ebenfalls keine Phasenverschiebung in der Sinus schwingung zeigen. Jede andere Winkelabweichung zwischen der exzen trischen Masse und dem Laser würde eine Phasenverschiebung der Sinusschwingung bezüglich der senkrechten Linie auf dem Oszillo graphen in der einen Gder der anderen Richtung verursachen. Deshalb enthält der Impulsverzögerungskreis 29 eine Einstellvorrichtung j54, welche die Verzögerungszeit der Impulse verändert, so daß der Laser zur gleichen Zeit getriggert werden kann, in der die exzentrische Masse mit der optischen Achse des Lasers ausgerichtet ist.

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Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Laser bei der Entfernung von Material von einem in der Auswuchtungsvor richtung rotierenden Rotor zeigt, so könnte der Rotor auch in dem selben Gehäuse und in denselben Lagern montiert sein, in welchen der Rotor endgültig eingebaut wird. Dann kann das Gehäuse in eine geeig nete AuswuchtUngsvorrichtung eingebaut werden, wobei die Wandler so angeordnet sind, daß sie die auf die Lager wirkende exzentrische Kraft aufnehmen. Der Laserstrahl würde durch ein geeignetes Fenster in das Gehäuse eintreten.

Schließlich können andere Arten der Materialentfernung bei der Er findung angewendet werden. Das wesentliche Erfordernis der Vor richtung zur Materialentfernung ist, daß Material entfernt wird, ohne daß irgendwelche zusätzlichen Kräfte den Lagern zugefügt wer den. Eine andere Art der Materialentfernung geschieht beispielsweise mittels einer Funkenentladungsvorrichtung.

Patentansprüche: '

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Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Verminderung der Unwucht eines Rotors, dadurch ge kennzeichnet, daß man den Rotor in im wesentlichen festen Lagern rotieren läßt, eine Komponente der infolge der Unwucht auf die Lager ausgeübten resultierenden Rotationskraft sondiert, ein Signal syn chron mit dem Durchgang der resultierenden Kraft durch eine gegebene Winkellage erzeugt und dann das Signal zum Triggern eines Impuls von konzentrierter Energie benutzt, die Material von einem Teil des Rotors entfernt, der eine vorbestimmte Winkellage einnimmt, ohne daß dabei zusätzliche Unwuchtkräfte auf dem Rotor ausgeübt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieimpulse Material von dem Rotor durch Verdampfen entfernen.

J5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ener gieimpulse einem Laser entnommen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis J>, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieimpulse Material durch Funkenerosion entfernen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftkomponente in einer die Achse enthaltenden vorbestimmten Ebene sondiert und ein Signal beim Nulldurchgang erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß das Triggern des Energieimpulses um eine einstellbare Verzögerungszeit nach dem Signal verzögert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der getriggerten Impulse ein Teiler der Signalfrequenz ist.

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8. Vorrichtung zur Verminderung der Unwucht eines in im wesentlichen festen Lagern rotierenden Rotors zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Sondieren einer Komponente der infolge der Unwucht auf die Lager ausgeübten resultierenden Rotationskraft, Mittel zur Erzeugung eines Signals synchron mit dem Durchgang der resultierenden Kraft durch eine ge gebene Winkellage, eine Impulsquelle konzentrierter Energie zur Ausrichtung dieser Energie auf den Rotor zur Materialentfernung von einem Teil des Rotors, der eine vorbestimmte Winkellage einnimmt, ohne daß zusätzliche Unwuchtkräfte auf den Rotor ausgeübt werden, und auf das Signal ansprechende Triggermittel zur zeitlichen Rege lung der Impulse vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsquelle einen Laser enthält.

IG. Verrichtung nach Anspruch 8 oder 9* dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgeber vorgesehen ist, der von einem die Grosse der Kraft komponente darstellenden Signal einen scharfen elektrischen Impuls an einem gegebenen Punkt der Kreisfrequenz des Signals erzeugt, beispielsweise beim Nulldurchgang des Signals.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teiler zur Erzeugung eines Signals vorgesehen ist₅ das sioh einmal für eine gegebene Anzahl von Umdrehungen wiederholt, Una aus einem Signal abgeleitet ist, das sich jede Umdrehung ein mal wiederholt.

12. Verrichtung nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß einstellbare Verzögerungsmittel vorgesehen sind* zur Verzögerung des Triggems jedes Energieimpulses um einen einstellbaren Seitab schnitt in Bezug auf das auslösende Signal und. damit der Rotorstellung, bei der das Triggern erfolgt.

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13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillograph zur graphischen Darstellung der Signale der Sondiermittel vorgesehen ist derart, daß die Amplitude und Phasen lage des Oszillogrammes anzeigt, von welchem Teil des Rotors in Bezug auf die Unwucht Material entfernt wird.

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