DE1926494B2 - Vorrichtung zur erzeugung und messung von mechanischen schwingungen an einem stationaer angeordneten rotationskoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Er- :ugung und Messung von mechanischen Schwiningcn an einem stationär angeordneten Rotations- ^rper mit einer Anzahl von beaufschlagten Gliedern, τ denen piezoelektrische Elemente zur Schwingungsrj-.sving angebracht sind.

Bei einem bekannten Verfahren (deutsche Patentschrift 868 674) erfolgt die Schwingungsanregung von schwingfähigen Körpern durch Drehung von mit Necken versehenen Scheiben, die mit einem Motor gekoppelt sind. Beim Durchlauf der Nocken durch einen Schlitz im Kern einer Spule werden Sp^ainungsimpulse induziert, die über einen Verstärker weitergeleitet werden. Eine derartige Anordnung eignet sich nur für eine vergleichsweise geringe Anzahl von Schaufeln, da ansonsten eine Vielzahl von Scheiben mit zugeordneten Nocken auf der Antriebswelle des Niotors montiert sein müßten und dies zu konstruktiven Schwierigkeiten führen würde. Insbesondere in der Werkstoffprüftechnik ist die Verwendung von Flip-Flop-Schaltungen zur Impulssteuerung schon bekannt (deutsche Offenlegungs>ehrift ! 473 (>22) IX-logischen Hip-Flop-Schaltungen dienen hier der ! rzeuiiung eines Ausgangssignals bei einer bestimmten zeitlichen Auleinanderfolge von Signalen /jr kennzeichnung von mit Fehlern behafteten Prüfstollen. wobei die Ausuangssienale in ihrer zeitlichen AuTmUsfolge miteinander verglichen werden. Darüber hinaus werden in der fu'binentechnik zur Anregung und Messung von Schwingungen bereits seit längerem piezoelektrische Flemente veiwandt lThe Fnmneer. 1..I um 1962. S. 97SfT.).

Bei rotierenden Strömungsmaschinen, wie Dampfturbinen. Gasturbinen u. dgl., können an der Außenfläche des rotierenden Teils auch entsprechend beaufschlagte Glieder, wie z. B. Laufschaufeln, in bestimmten festgelegten Abständen angeordnet sein, während eine bestimmte Anzahl von Statorschaufeln oder Düsen neben diesen Gliedern angeordnet ist. welche als Schwingungserzeuger wirken, wobei der rotierende Körper durch die Energie des aus ücii Düsen oder aus dem Bereich zwischen den Statorschaufeln ausströmenden Strömungsmittels angetrieben wird. In diesem Fall nehmen die Laufschaufeln die durch die Geschwindigkeitsänderung des Strömungsmittels erzeugten Kräfte jedesmal auf, wenn sie bei ihrer Drehung mit dem umlaufenden Körper unmittelbar an den Statorschaufeln bzw. Düsen vorbeilaufen. Mit anderen Worten wird an die Laufschaufeln die Schwingungen erzeugende Kraft entsprechend dem Produkt

Ji = "i · «2

(mit n, = die Drehzahl des Rotationskörpers und /I₂ = die Anzahl der den Anstoß erzeugenden Anstoßquellen bzw. Düsen) angelegt. Die Zeitspanne, während welcher eine bestimmte Laufschaufel den Abstrom einer bestimmten Statorschaufel bzw. Düse durchläuft und dann eine unmittelbar benachbarte Laufschaufel diesen Abstrom durchläuft, entspricht

der Formel

"1 · "3

, d. h. dem Reziprokwert des

Produkts aus der Drehzahl (1I₁) des umlaufenden Körpers und der Anzahl von Laufschaufeln ίιι₃). Demzufolge trifft die schwingungserzeugende Kraft die einander benachbarten Laufschaufeln der Reihe nach mit einem Phasenunterschied bzw. in den Zeitabständen

"ι · "3

■ Die Laufschaufeln sind gruppenweise mit Flilfe von Randhaltern oder Börtelmetall elastisch miteinander verspannt und bilden somit ein endliches Schaufelgitter. Diese Konstruktion macht die theoretische Analyse des Bctriebsz.ustands der Laufschaufeln

schwierig, und zwar im Gegensatz zu einer Einzelschaufel oder einem unendlichen Schaufelgitter, deren Schwingungsverhalten sich leicht mathematisch bestimmen läßt Aus diesem Grunde ist es unbedingt notwendig, das Schwingungsverhalten von Lauf- s schaufeln experimentell exakt bestimmen zu können.

Zur Bestimmung des charakteristischen Verhaltens der Laufschaufel ohne tatsächliche Bewegung des Rotors selbst, sondern nur unter simulierten Betriebsbedingungen dei Laufschaufel ist eine Vorrichtung ic bekannt, die einen Antriebskörper aufweist, während an Stelle von z. B. Dampfdüsen eine entsprechende Zahl von Wasserdüsen im Antriebskörper angeordnet sind. Ferner sind Laufschaufeln am Außenabschnitt einer Drehscheibe angeordnet.

Rei dieser Vorrichtung zur Schwingungserzeugung n- :H Ur K-it. spezielle Konstruktion /. !5. ties Rotors oder de< L.uiisehaufeln jeweils ein besondere·' Rotor zu; SChAiHgUiIgSPrUrUi-IL' vorgesehen weiten. Dies enoiueu einen beträchtlichen zusätzlichen Konstenai.^A.iirJ \\ ι liner hinaus ermöglicht diese Vorrichtuns.' nur eine Messung des begrenzten Abschnitts, an w chem der Spannungsmesser angebracht ist Wenn d> .11 her hin:uis /. B. der beaufschlagte Teil kurz ist. kann nur ein einziger Spannungsmesser daran angebracht werden. Folglich ist es auch unmöglich, gleichzeitig die Vibrationszustände verschiedener Abschnitte des beaufschlagten (jlieds zu bestimmen und muß die Plazierung des Meßgeräts während eines Mel.'Vorgangs verschiedentlich geändert werden.

Da es auch unmöglich ist. unbegrenzt die Anzahl von Schleifring-Anschlüssen, die Anzahl von Kanälen eines z. B. Verwendung findenden Tonbandgeräts u. dgl. zu erhöhen, läßt sich das Phasenverhältnis der Schwingungen aller beaufschlagten Glieder nicht gleichzeitig bestimmen. Aus diesem Grund mußten bisher bei derartigen Tests in der Regel Reihenversuche durchgeführt werden.

Darüber hinaus steht ein Spannungsmesser mit dem Wasserstrahl in Berührung und ist infolge der Drehbewegung einer Fliehkraft unterworfen. Dies bedingt aufwendige Konstruktionen und kann auch zu einer Beschädigung des Meßgeräts führen.

Außerdem muß jedesmal ein neuer Antriebskörper hergestellt werden, wenn das Verhältnis der Steigung des anregenden Teils, wc der Düse, zur Steigung des beaufschlagten Teils, wie der Laufschaufel, geändert wird.

Bei der bekannten, unter Rotation Schwingungen erzeugenden Vorrichtung ist also ein beträchtlicher Arbeits- und Zeitaufwand erforderlich, ist die Auswertung der Versuchsergebnisse schwierig und sind die Versuchskosten unvermeidbar hoch.

Bei anderen herkömmlichen Schv.ingungserzeugungs-Verfanren, bei welchen z. B. ein Magnet, ein Rüttler od. dgl. benutzt wird, um die beaufschlagten Glieder, beispielsweise an einem umlaufenden Körper, wie einem Rotor, angeordnete Laufschaufeln, in Schwingung z.u versetzen, ist es außerdem unmöglich, die beaufschlagten Glieder gleichzeitig mit einer dem Abstrom jeder Düse entsprechenden Phasenverschiebung anzuregen. Aus di.'sem Grund ist es unmöglich, das tatsächliche Schwingungsvcrhallen genau zu reproduzieren.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Erzeugung und Messung von mechanischen Schwingungen an einem stationär angeordneten Rotationskörper, die sich zur Prüfung von Turbinen mit einer Vielzahl von Schaufeln eignet, wobei die schwingungsanregenden Kräfte an den jeweiligen Schaufeln einer Turbine angreifen sollen, die elektronische Bauelemente zur Ansteuerung von piezoelektrischen Elementen besitzt und darüber hinaus die Nachteile des Bekannten vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine der Anzahl von beaufschlagten Gliedern entsprechende Anzahl von Flip-Flop-Schaltungen vorgesehen ist, daß die verschiedenen Fhp-Rop-Schaltungen so angeordnet sind, daß die Schalt-Ausgangsklemme und die Rückstell-Ausgangsklemme einer beliebigen Flip-Flop-Schaitung mit der Schalt-Eingangsklemme und der Rückstell-Eingangsklemme der benachbarten Flip-Flop-Schaltung verbunden sind und daß auf dieselbe Weise die Ausgangs- und Eingangsklei.imen der einander benachbarten Flip-Hop-Schaltungen fortlaufend miium ler verbunden und mithin die Flip-Flop-Schaltungen insgesamt ringförmig miteinander gekoppelt sind, daß ein Sender mit allen Trigger-F.ingängen der Flip-Fl^p-Scha!- tungen verbunden ist üiid einen Verschiebeimpuls mit ^iner Frequenz gleich «, ■ U₁ · /?, aussendet (n, = Drehzahl des Rotationskörpers, n₂ = Anzahl der den Anstoß erzeugenden Anstoßquellen, «_, = Anzahl der beaufschlagten Glieder), daß die Flip-Fion-Schaltungen zu Schaltungsgruppen zusammengeschlossen sind, die jeweils eine Anzahl, die gleich dem größten gemeinsamen Teiler von n₂ und ;i₃ ist, fortlaufender Flip-Flop-Schaltungen umfaßt, daß die piezoelektrischen Elemente mit den Schalt-Ausgangsklemmen der Flip-Flop-Schaltungen so verbunden sind, daß ausgehend von einem ersten piezoelektrischen Element dieses Element und die piezoelektrischen Elemente, welche bei fortlaufend·, r Numerierungeine Nummer gleich einem um dip Zahl 1 vermehrten Vielfachen des Quotienten aus «, und dem größten gemeinsamen Teiler von n₂ und η_λ haben, parallel zur Schalt-Ausgangsklemme der ersten Flip-Flop-Schaltung der ersten Schaltungsgruppe geschaltet sind, während das zweite (dritte usw.) und die in entsprechender Weise nachfolgenden piezoelektrischen Elemente parallel zur Schalt-Ausgangsklemme der Flip-Flop-Schaltung mit einer fortlaufenden Nummer n₂ (2 · n₂ usw.) geschaltet sind, wobei die Flip-Flop-Schaltung mit der Nummer n₃ der ersten Flip-Flop-Schaltung entspricht, daß eine Gleichstromquelle an die Klemmen für direkten Durchschalteinging einer speziellen Flip-Flop-Schaltung angeschlossen ist und daß eine andere Gleichstromquelle mit allen Klemmen für direkten Rückscelleingang der Flip-Flop-Schaltungen verbunden ist.

Die erfinduiigsgemäße Vorrichtung läßt sich vorteilhafterweise durch Änderung der Schaltungs¹·erbindungen und/oder der Schaltungsparameter zur Prüfung von Turbinen mit einer beliebigen Anzahl von Schaufeln verwenden, wobei die Anpassung an eine bestimmte Schaufelanzahl einfach und schnell vorgenommen werden kann. Durch die bei der Erfindung verwendete elektronische Schaltung wird erreicht, daß die an den Schaufeln angeordneten piezoelektrischen Elemente durch zeitlich gegeneinander verschobene Impulse sequentiell betätigt werden können. Die verwendeten Flip-Flops mit Triggereingam; gewährleisten darüber hinaus eine einwandfreie Funktion selbst bei gleichzeitigem Anlegen von zwei Impulsen an die Flip-Flop-Schaltung.

F.rlindungsizcmäü wird somit eine Schwingkraft

entsprechend der Schwingungszahl n, · H₂, welche das Produkt der Anzahl von Anrcgungsquellen n₂ und der Drehzahl n, entsprechend der tatsächlichen Drehzahl eines Rotationskörpers ist, an den stationären Rotationskörper angelegt und der simulierte Anstoß S der Reihe nach an die benachbarten Glieder, z. B.

Schaufeln, mit einer Phasenverschiebung .- . d. h.

dem Reziprokwert des Produkts aus der Drehzahl n, und der Zahl der beaufschlagten Glieder »,. angelegt. Wesentlich ist, daß den beaufschlagten Gliedern eine ähnliche Schwingkraft erteilt wird wie bei der tatsächlichen Drehbewegung derselben, ohne daß aber der Rotationskörper dabei tatsächlich in Drehung versetzt wird, so daß sich das Schwingungsverhalten der beaufschlagten Glieder und des Rotationskörpers, insbesondere ihre Resonanzeigenschaften gegenüber den Anregungsquctlen, genau messen lassen.

Da an die beaufschlagten Glieder des Rotationskörpers eine Anstoßkraft entsprechend der Schwingungsanzahl n, ■ n₂, welche das Produkt aus der Anzahl der Anregungsquellen n₂ und der Anzahl von Umdrehungen n, entsprechend der tatsächlichen Drehzahl eines Drehkörpers ist, angelegt wird, kann damit den beaufschlagten Gliedern erfindungsgemäß eine Anstoßkraft erteilt werden, deren Frequenz mit der Betriebsfrequenz identisch ist. Jedes der beaufschlagten Glieder wird damit jedesmal beeinflußt, wenn dieses mit der Drehzahl n, je Zeiteinheit vor einer Anzahl n₂ von Anregungsquellen umläuft, wobei der Anstoß an die benachbarten bzw. nachfolgenden beaufschlagten Glieder der Reihe nach mit einer gleichen Phasenverschiebung von —, d. h. dem Reziprokwert des

Produkts aus der Drehzahl n, und der Anzahl der beaufschlagen Glieder n₃, angelegt wird. Mithin kann den beaufschlagten Gliedern der Reihe nach ein Anstoß mit derselben Zeitverschiebung wie im tatsächlichen Betrieb erteilt werden; während dieses Zeitunterschieds erhält das unmittelbar vor die betreffende Anregungsquelle gelangte beaufschlagte Glied einen AnregungsstoB durch die Anregungsquelle, die dann dem nachfolgenden beaufschlagten Glied einen weiteren Stoß erteilt Auf diese Weise können die tatsächlichen Anregungsbedingungen nachgeahmt werden. ohne daß dabei der Drehkörper in Drehung versetzt wird.

Da dem beaufschlagten CHied ohne Dretrang des Drehkörpers ein Anstoß erteilt «erden kann, welcher demjenigen im tatsächlichen Betrieb entspricht, ist es so erfindungsgemäB möglich, das Scbwingungsverhalten des beaufschlagten Glieds unmittelbar zu beobachten and ohne weiteres sein Verhalten durch Anbringen von Fühlern and Meßgeräten an den entsprechenden Teilen auszuwerten. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren außerdem keine Schieininge erforderlich sind, läßt sich das Phasenverhältnis der Schwingungen der beaufschlagten Glieder als Ganzes ohne weiteres innerhalb einer kur?en Zeitspanne überprüfen. Ebenso ist es möglich, die Schwingversuche as der Maschine selbst durchzuführen, ohne einen speziellen Priif-Drehkörper vorzusehen. Hierdurch können die Versuchsergebnisse erbessert und die Versuchskosten erheblich gesenkt werden. Da auch der Drehkörper nicht in Drehung versetzt zu werden braucht, falh 6s das bei der Drehbegung des Drehkörpers entstehende Geräusch weg, und das Meßgerät ist somit gegen Schäden geschützt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen bekannten Schwingungserzeuger,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II des bekannten Schwingungserzeugers gemäß Fig. 1.

F i g. 3 ein Schaltbild einer schwingungsanregenden Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung,

F i g. 4 ein Schaltbild einer einen wesentlichen Bauteil der Vorrichtung gemäß F i g. 3 darstellenden Flip-Flop-Schaltung,

F i g. 5 eine schematische Darstellung, welche den an die Schaltung gemäß F i g. 3 angelegten Eingangsimpuls und den von dieser Schaltung erzeugten und an piezoelektrische Elemente übertragenen Ausgangsimpuls veranschaulicht,

F i g. 6 ein Diagramm zur Darstellung des Zmtands. in welchem der Ausgangsimpuls zu den piezoelektrischen Elementen gemäß F i g. 5 übertragen wird,

F i g. 7 und 8 Diagramm zur Erläuterung, wie die Zahl der simulierten Laufschaufeln und die Düsen der dargestellten Ausführungsform der Erfindung verändert werden.

F ί g. 9 ein Blockschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 10 bis 13 schema tische Darstellungen'zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der der Spannungs-Komparatorstufe der Ausführungsform gemäß F i g. 9 nachgeschalteten Schaltung, wobei Fig. 10 den Zustand veranschaulicht, in welchem eine vom Integrator übertragene symmetrische Dreieck-Wellenform beispielsweise durch fünf Spannungs-Komparatoren aufgeteilt wird, F i g. 11 die Ausgangssignale dieser Komparatoren darstellt und die F i g. 12 und 13 die Ausgangssignale der Differentierschaltutig bzw. die Clippers veranschaulichen.

Diese in den F i g. 1 und 2 dargestellte herkömmliche Vorrichtung weist einen Antriebskörper 4 auf, während an Stelle von z. B. Dampfdüsen eine gleiche Anzahl von Wasserdüsen 3 im Antriebskörper 4 mit gleichen Abständen voneinander und Laufschaufeln 2 gegenüberliegend angeordnet sind, welche am Außenabschnitt einer Drehscheibe 1 angeordnet sind. Eine in ihrer Verlängerung mit der Drehscr „ibe 1 verbundene Turbinen-Antriebswelle 5 ist drehbar mit einem in der schematischen Darstellung nicht eingezeichneten Lager verbunden. Die Drehscheibe 1, die Laufschaufeln 2 und der Antriebskörper 4 sind hermetisch in ein Gehäuse 6 eingeschlossen. Der Antriebv körper4 wird durch eme nicht dargestellte Pumpe mit Druckwasser beschickt, das über die Wasserdüsen 3 des Antriebskörpers 4 gegen die Laufschaufeln 2 ausgestoßen wird, so daß die Laufschaufeln 2 und die Drehscheibe 1 in Drehung versetzt werden und den Laufschaulein 2 glezei durch die von den Wasserstrahlen ausgeübte Kraft eme ungleichmäßige periodische Schwingung in Umfangsrichtung aufgeprägt wird.

An einer Laufschaufel ist ein Spannungsmesser 7 angebracht, dessen Zuleitung mh einem auf der Antriebswefle 5 angeordneten Schleifnag 8 verbunden ist, so daß die mechanische Spannung bzw. Betastung der Laufschaulei 2, an welcher das Meßgerät 7 angebracht ist, gemessen werden kann, während die Drehzahl der Antriebswelle S, d. h. die Anzahl der der Laufschaufel 2 erteilten Schwingungen, durch emen an der Antriebswelle 5 angeordneten Drehzahlmesser 9 gemessen wird

(ο

und somi¹ die Schwingungscigenschaften der Laufschnufcl 2 festgestellt werden können.

Die F i g. 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Turbine mit sechs Laufschaufeln und einer Düse in Schwingungen versetzt wird. In F i g. 4 sind mehrere Flip-Flop-Schaltungen F dargestellt, die jeweils aus einem Teil F', welcher die Schaltung durchschalten und ei -cm Teil F" besteht, welcher die Schaltung rückstellt. Die Schalt-Eingangsklcmme F'a des Durchschaltteils F' ist mit der Schalt-Ausgangsklemme Fb des Durchschalt-Tcils F' der benachbarten Flip-Flop-Schaltung über eine Leitung !,verbunden. DieRückstcll-HingangsklemmeF'a des Rückslellteils ist über eine Leitung L' mit der Rückstell-Ausgangsklcmmc F"b des benachbarten Rückstellteils F" verbunden. F.rsichtlichcrweisc sind mithin entsprechend der Anzahl der Turbinen-Laufschaufeln sechs Flip-Flop-Schaltungen F ringförmig miteinander gekoppelt.

Eine Direkt-Schalteingangsklemme F'c ist nur an der ersten (Fl) der sechs FHp-Flop-Schaltungen F vorgesehen.dieDirekt-Rückstelleingangsklemmen F"r im Rückstellteil F" der Flip-Flop-Schaltungen F sind über eine Leitung R mit einer Klemme D verbunden, und die Klemme D ist über eine Leitung R' mit einer Rückstell-Eingangsklemme C verbunden.

Wenn der erste Schalt-Impuls an die Direkt-Schalteingangsklemme F'c angelegt wird, kann die Flip-Flop-Schaltung nicht einwandfrei betrieben werden, wenn mehr als zwei Impulse gleichzeitig an sie angelegt wenden. Zur Vermeidung dieses Zustande muß eine ein Rattern verhindernde Anordnung vorgesehen sein.

In jeder Flip-Flop-Schaltung F ist je ein Trigger-Eingang Fd vorgesehen, der über eine Leitung S' mit einer ringförmigen Verbindungsleitung S gekoppelt ist, welche ihrerseits mit einem nicht dargestellten Wellen-Impulsgeber S" verbunden ist.

Die mit den Durchschaltteilen F' der Flip-Flop-Schattungen F gekoppelte Verbindungsleitung L ist mit jedem einzelnen der aus Bariumtitanat od. dgl. bestehenden piezoelektrischen Elemente P über Leitungen E verbunden, die an den nicht dargestellten Laufschaufeln angeordnet sind.

Wenn ein Stell-Impuls an die Stell-Eingangsklemme F'a des Schaltteils jeder Flip-Flop-Schaltung F angelegt wird, wird das Flip-Flop F durchgeschaltet und wird der Impuls über die Leitung L von der Schah-Aosgangsklemnie F'b zum piezoelektrischen Element P fibertragen, so daß die Laufschaufel an· so gestoßen wird. Wenn dagegen ein auf dem Rückstellniveau liegender Steuereingang an die Rückstellklemme F"a des Rückstellteils F" angelegt wird, wird die Flip-Flop-Schaltung F zurückgestellt In diesem Fall wird jedoch die Laufschaufel nicht angestoßen, da die Rücksten-Ausgangsklemme F"b nicht mit dem piezoelektrischen Element P verbunden ist

Wenn ein Schaltimpuls an die Schalt-Eingangsklemme Fd angelegt wird, wird die Schaltung F durchgeschaltet, sofern das Steflsignal an der Schaltung F anliegt, d h.. wenn eine Spannung angelegt ist Die Schaltung F wird dagegen zurückgestellt wenn ein Rücksteflsignal anliegt

Die Anordnung ist so ausgelegt, daß der Steii- und der Rucksteil-Steuereingang nicht gleichzeitig an dieselbe Flip-Flop-Schaltung angelegt werden.

Die Ausführungsform gemäß den F i g. 3 und 4 ist

auf die beschriebene Weise ausgelegt, so daß bei angeschlossener Rückstell-Eingangsklemme C der Rückstellimpuls alle Flip-Flop-Schaltungen Fl bis F6 erreicht und mithin alle Flip-Flop-Schaltungen F rückgestellt werden. Mithin wird eine Spannung an die Leitungen L'\ bis L' 6 angelegt, welche die Rückstellteile F" miteinander verbinden, während keine Spannung an die Leitungen L1 bis L6 angelegt wird, welche die Schaltteile F' miteinander verbinden.

Wenn ein Einzelimpuls zum erstmaligen Durchschalten an die Klemm? Fc für direkten Schalteingang an der ersten Flip-Flop-Schaltung Fl angelegt wird, wird nur die Schaltung Fl durchgeschaltet, während die anderen Flip-Flop-Schaltungen Fl bis F6 rückgestellt bleiben. Die zwischen die Schaltungen Fl und Fl eingeschaltete Leitung L'\ wird mithin stromlos und die Leitung L1 wird stromführend. Infolgedessen wird ein Impuls über die Leitung £ 1 an das mit der Leitung Ll verbundene piezoelektrische Element P1 gelegt, so daß die mit diesem piezoelektrischen Element Pl versehene Laufschaufel angestoßen wird. Andererseits bleiben die Schaltungen Fl bis F 6 rückgestellt, so daß an die anderen piezoelektrischen Elemente Pl bis Pb kein Impuls angelegt wird.

Wenn der erste Verschiebeimpuls [fsl) von einem nicht dargestellten Verschiebe-Impulsgeber aus an eine Verschiebeimpuls-Klemme S" angelegt wird, wird über die Ringverbindung S und die mit der KlemmeS" verbundenen Leitungen S'l bis S'6 ein Auslöseimpuls an alle Flip-Flop-Schaltungen F angelegt.

In diesem Augenblick ist die Flip-Flop-Schaltung F1 durchgeschaltet. Da die Leitung L'6 jedoch leitet und somit der Rückstell-Steuerimpuls an sie angelegt ist. wird die erste Flip-Flop-Schaltung F1 zurückgestellt.

Die zweite Schaltung Fl ist rückgestcllt. Da die Leitung Li jedoch leitet und der Schaltimpuls an sie angelegt ist. wird die Schaltung F 2 im gleichen Augenblick in den Schaltzustand umgeschaltet.

Die Schaltungen F 3 bis F 6 gemäß F i g. 4 bis 6 sind rückgestellt, und da die Leitungen L'l bis L' 5 leiten, bleiben diese Schaltungen rückgestellt.

Auf diese Weise wird nur die Schaltung Fl durch den ersten Verschiebeimpuls (/si) durchgeschaltet, so daß das zweite piezoelektrische Element Pl betätigt und nur die zweite Laufschaufel angestoßen wird.

Wenn nach diesem Vorgang der zweite Verschiebeimpub/s2 an die Klemme S" angelegt wird, wird nur die dritte Ftip-Flop-Schaltung F 3 durchgeschaltet während alle anderen Flip-Flop-Schaltungen Fl, F 2. F4, FS, F6 rückgestellt werden und somit nur ak dritte Laufschaufel angestoßen wird.

Auf die beschriebene Weise werden die weiteren Schaltungen F4, FS, F6 der Reihe nach beim Ankommen der Verschiebeimpuise /j3, /s4 usw. durchgeschaltet so daß eine Schwingkraft an die vierte fünfte bzw. sechste Laufschaufel angelegt wird.

Zur Hervorbringung der vorstehend beschriebenen Funktionen ist es erforderlich, daß die Frequenz /'« des Verschiebeimpulses fs, der an die Klemme 5" angelegt werden soll, mit dem Produkt der Drehzahl n, je Zeiteinheit des Drehkörpers, an welchem die Laufschaufeln angebracht sind, und mit der Anzahl n_: von Statorschaufeln bzw. Düsen sowie der Anzahl n\ der Laufschaufeln übereinstimmt (/'< = ^n₂ n₃j Die Anzahl der Flip-Flop-Schaltungen wird entsprechend der Anzahl von Laufschaufeln gewählt

209 540/19i

Die Ausführungsform gemäß den F i g. 3 und 4 gilt für den Fall, daß die Anzahl n₂ der Düsen 1 und die Anzahl H₃ der Laufschaufeln 6 beträgt. F i g. 5 zeigt das Verhältnis zwischen dem Verschiebungsimpuls/s und Jem an das erste bis sechste piezoelektrische Element Pl bis P6 angelegten Verteilerimpuls f„. Wenn gemäß F i ^. 5 der erste Impuls angelegt wird, wird dieser Impuls zum ersten piezoelektrischen Element Pl übertragen, wodurch die erste Laufschaufel angestoßen wird. Durch Anlegung ω des ersten Verschiebungsimpulses/s, wird dann das zweite piezoelektrische Element Pl betätigt. Auf diese Weise werden der Reihe nach das dritte bis sechste piezoelektrische Element P 3 bis P 6 jedesmal dann betätigt, wenn der Verschiebeimpuls fs übertragen wird. Wenn hierauf der sechste Verschiebungsimpuls/s₆ übertragen wird, wird wiederum das erste piezoelektrische Element P1 erregt.

Jeweils dieselbe Laufschaufel erhält einen Anstoß in einer Zeitspanne von ■

und erhält mithin jede Laufschaulei einen Anstoß in Intervallen entsprechend

Der'Anstoß wird der Reihe nach an die nachfolgenden Laufschaufeln mit einer Phasenverschiebung entsprechend

20

H₂= 1

	1	«3	1
"ι	Produkt	OH1
angelegt, was das	1	aus der Periode de
Verschiebeimpulses	n, ■ n2 · η	- und der Anzahl η 3

Außerdem wird der Anstoß nacheinander mit einer

Phasenverschiebung von

n, · n,

auf die nächstfolgende

Laufschaufel verschoben.

Durch Änderung der Frequenz/'s des Verschiebungsimpulses/5 kann mithin ein Betriebszustand simuliert werden, bei welchem die Drehzahl

n, =

"2 · "3

des Drehkörpers veräi»dert wird.

Außerdem kann an eine bestimmte Anzahl von Laufschaufeln die Schaltung durch Änderung der Anzahl von Flip-Flop-Schaltungen F angepaßt werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform gemäß den F i g. 3 und 4 sind sechs Flip-Flop-Schaltungen F vorgesehen, wodurch ein Betriebszustand nachgeahmt werden kann, bei welchem einer aus sechs Laufschaufeln (n₃ = 6) und einer Düse (n₂ = 1) bestehenden Turbine ein Anstoß erteilt wird. Zur Nachahmung des Zustande des AnstoBens einer Turbine mit sechs Laufschaufeln (n₃ - 6) und zwei Düsen (H₂ = 2) ist die Anordnung dagegen derart getroffen, daß die Klemme Fb₁ für Schaltausgang des Schaltteils der ersten Flip-Flop-Schaltung F₁ zum ersten, an der ersten Laufschaufel vorgesehenen piezoelektrischen Element P1 und zum vierten piezoelektrischen Element P4an der vierten Laufschaufel parallel geschaltet ist, während die KlemmeFb₃ fur den Schaltausgang der dritten Flip-Flop-Schaltung F3 zum zweiten und fünften piezoelektrischen Element Pl und PS und die Klemme Fb₅ der fünften Flip-Flop-Schaltung FS mit dem dritten und dem sechsten piezoelektrischen Element Pi und P6 parallel geschattet ist

Durch Anordnung der Verbindungen auf die vorstehend beschriebene Weise empfangt jedes piezoelektrische Element P einen Impuls in Abständen entsprechend

B₁ B₂

2b, der Düsen darstellt.

Die Flip-Flop-Schaltungen Fl, F4 und F6, deren Schalt-Ausgangsklemmen F'b nicht mit den piezoelektrischen Elementen P verbunden sind, dienen zur Frequenzeinstellung und zur Einstellung der Phasen-

30 lage.

Bei einer Turbine, bei welcher die Anzahl n₃ der Laufschaufeln 21 und die Anzahl M₂ der Düuen 27 beträgt, wird eine gleich große Anzahl von Flip-Flop-Schaltungen, nämlich einundzwanzig, wie die Anzahl der Laufschaufeln auf vorher beschriebene Weise in Ringform angeordnet. Diese 21 Flip-Flop-Schaltungen F werden in sieben Gruppen zu je ^rei Flip-FIop-Schaltungen aufgeteilt (die Zahl 3 ist der größte gemeinsame Nenner der Anzahl (m₃ = 21) von Laufschaufeln und der Anzahl (n₂ = 27) von Düsen). Hierauf wird das erste piezoelektrische Element P1 mit der Schalt-Ausgangsklemme F¹^₁ der ersten Flip-Flop-Schaltung F1 der ersten Schaltungsgruppe und das zweite piezoelektrische Element Pl mit der Schalt-Ausgangsklemme F'b₇ der siebenten Flip-FIop-Schaltung F 7 verbunden, die in der Flip-Flop-Schaltung der 27. Schaltung (»27« entspricht der Anzahl n₂ der Düsen), der Reihe nach «ezählt von der ersten zur zweiten, dritten usw. der Flip-Flop-Schaltungen

so Fl, FX F3 usw., entspricht (Anmerkung: Da das Flip-Flop-Schaltungsnetz in Ringform aus 21 Schaltungen besteht, entspricht die 21. Schaltung der ersten Flip-Flop-Schaltung Fl). Auf gleiche Weise wird das dritte piezoelektrische Element Pi mit der Schalt-

SS Ausgangsklemme F'b,₃ der 13. Flip-Flop-Schaltung und das vierte piezoelektrische Element P 4 mit der Ausgangsklemme F'b,₉ der 19. Flip-Flop-Scbaltung verbunden. Infolge dieser Anordnung sind das erste piezoelektrische Element PS, welches das siebente

·'» vom ersten piezoelektrischen Element aus gezählt ist (d. Il, »7« ist der Quotient aus der Zahl (B₂ = 21) der Laufschaufeln dividiert durch den größten gemeinsamen Nenner mit der Zahl (n₃ = 21) der Laufschaufeln und der Zahl (B₂ = 27) der Düsen), sowie das fünfzehnte piezoelektrische Element P15. welches das siebente vom achten Flement - us gezählt darstellt paralkl zur Ausgan^skiemme F'6, d. r ersten Ftip-Flop-Schaltungder ersten Schaltungsgnippe geschaltet.

Diese Verbindungen lassen sich tabellarisch wie folgt erfassen:

Flip-Flop- Schalliiiigsgruppe Nr.	Flip-Flop-Schaltung Nr.	Piezoelektrisches Element Nr.
1	I	1, 8, 15
	2
	3
2	4	5, 12, 19
	5
	6
3	7	2,9,16
	8
	9
4	10	6, 13,20
	Il
	12
5	13	3, 10, 17
	14
	15
6	16	7, 14, 21
	17
	18
7	19	4, 11, 18
	20
	21

Wenn diese Flip-Flop-Schaltungen F und die piezoelektrischen Elemente P auf die beschriebene Weise miteinander verbunden sind und ein Verschiebungsimpuls mit einer Frequenz gleich n, · n₂ ■ n₃ = 567 n, auf sie übertragen wird, werden 21 Laufschaufeln in einem Intervall von

/Jj

27n,

angestoßen, während die benachbarten bzw. anschließenden Laufschaufeln der Reine nach mit einer Phasenverschiebung von

21«,'

nämlich

2In₁ 27«, 567«,

angestoßen werden. (Da die Zahl (n₂ = 27) der Düsen größer ist als die Zahl (R₂ = 21) der Laufschaufeln, wird die Laufschaufel neben einer durch eine bestimmte Düse beaufschlagten Laufschaufel durch die neben te dieser bestimmten Düse befindliche Düse beaufschlagt, bevor sie durch diese bestimmte Düse beaufschlagt wird. Aus diesem Grund ist die scheinoare Phasenverschiebung

1 I__ _ I₂-W₃ \

In F i g. 9 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Bezugsziffer I bezeichnet einen Sender für die übertragung einer Sinuswelle, deren Frequenz 2/, dem Doppelten der Frequenz /1 = «1 ' »2 der periodisch an eine nicht dargestellte Laufschaufel angelegten Schwingkraft entspricht. Die Ausgangsklemme des Senders 1 ist an die Eirtgangsklcmme eines Rechteckgenerators II angeschlossen, der aus einem Schmitt-Trigger, einer Differentialschaltung und einem Flip-Flop besteht und den Sinus in eine symmetrische Rechteckwelle mit der Frequenz/, umformt.

Die Eingangsklemme eines Integrators I¹I ist an die Ausgangsklemme des Rechteckgenerators II angeschlossen. Dieser Integrator integriert die symmetrische Rechteckwellenform mit der Frequenz /, und wandelt sie in symmetrische Dreieckwellen um.

Die Ausgangsklemme des Integrators III ist parallel an Spannungskomparatoren IV geschaltet, deren Anzahl gleich y , wenn n₃ eine gerade Zahl ist, entsprechend der Hälfte der Zahl der Laufschaufeln M₃ oder i^st» wenn n₃ eine ungerade Zahl darstellt.

Die Ausgangsklemme des Spannungskomparators IV ist mit einer Differentierschaltung V verbunden.

Zwei Clipper-Schaltungen VI sind jeweii? mit der Differentierschaltung V verbunden, so daß die positiven und die negativen Impulse der Differentierschaltung voneinander getrennt werden.

Diese Clipper VI sind über Verstärker VII mit piezoelektrischen Elementen VIII gekoppelt, welche an den Laufschaufeln befestigt sind.

Bei der Ausführungsfonn gemäß F i g. 9 wird angenommen, daß n₂ = 1 (d. h. die Anzahl der Düsen gleich 1 ist) und n₃ = 10 (d.h. die Anzahl der Laufschaufeln 10 beträgt). Eine vom Sender I gelieferte Sinuswelle mit einer Frequenz 2/, .'ird in symmetrische Rechteckwellen umgeformt, deren Frequenz gleich /, ist. Die Reckteckwellen werden durch den Integrator III in symmetrische Dreieckwellen umgeformt.

Gemäß F i g. 10 sind diese symmetrischen Dre*>ckwellen so .'ingestellt, daß ihre Amplitude auf 5 V gehalten wird. Fünf Spannungskomparatoren IVl, IV 2, IV 3, IV 4 und IV 5 liegen aufl, 2,5, 7 bzw. 9 V. Wenn die Spannung der symmetrischen Dreieckwelle allmählich von ihrem Mindestwert auf ihren Höchstwert zunimmt, nämlich auf 1,3, S, 7 und 9 V, werden daher der erste bis fünfte Komparator IVl bis IVS dei Reihe nach betätigt Wenn die Spannung der symmetrischen Dreteckwelle von ihrem Höchstwert gleich 10 V auf 9,7,5,3 und 1 V abnimmt, werden der fünfte bis erste Spannnngskomparator IVS bis IVl dei Reihe nach abgeschaltet Der erste bis fünfte Spannungskomparator IV1 bis IV 5 überträgt daher jeweils semen Ausgang auf die in F i g. 11 dargestellte Weise

Hierauf übertragen die mit den Spannungskomparatoren rVI bis rV5 verbundenen Differentierschaltungen Vl bis V5 gemäß F i g. 12 positive odei negative Impulse, wenn der betreffende Spannungskomparator ein Ausgangssignal liefert bzw. die Lieferung eines Ausgangssignals unterbricht

Demzufolge bewirken zehn Clipper VIl, VTl,bis VI5, Vl' 5, von denen jeweils zwei parallel zur Differentierschaltung V geschaltet sind, daß jeweils dei

LS*

Reihe, nach einer von fünf positiven Impulsen und fünf negativen Impulsen in der Phasenlage

- H₃

übertragen wird, welche dem Quotienten der Periode 1 1 1

/i

· "2

H₂=I

der der Laufschaufel erteilten Schwingkraft dividiert durch 10 entsprechend der Anzahl von Laufschaufeln

entspricht. Nach der Periode 7- wird vom Clipper VI1

Jl

erneut ein positiver Impuls abgegeben.

Dieser Impuls wird dann bei jedem Phasennachlauf π~~·~ϊΓ~ üb^er die ^m't den ^zenn Clippern VIl bis VI5, VI'l bis VI'5 verbundenen Verstärker VIII bis VII5. Viri bis VII'5 an die piezoelektrischen Elemente VIII 1 bis VIII5, VIII'l bis VIII'5 angelegt.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 9 kann der

Anstoß ebenfalls unter denselben Bedingungen wie im tatsächlichen Betriebsablauf an die Laufschaufeln angelegt werden.

Vorstehend sind Ausführungsformen beschrieben worden, bei denen eine Anregungsquelle zur Simulierung einer Düse verwandt wird. Falls eine Vielzahl solcher Anregungsqueilen angewandt wird, muß die Anordnung derart getroffen sein, daß der Impuls an

jedem Zeitpunkt entsprechend ή, · H₂ · n₃ ^UDertrag^eri

wird, welcher den Reziprokwert des Produkts aus der Anzahl n, von Umdrehungen je Zeiteinheit des Drehkörpers und der Anzahl H₂ von Anregungsquellen sowie der Anzahl H₃ von angestoßenen Gliedern, wie der Laufschaufeln, darstellt, wobei dieser Impuls an die Laufschaufeln bei jeder Anzahl n₃ von Impulsen angelegt wird, so daß eine Anstoßkraft mit einer Schwingungszahl H₁ · n₂ an jede der Laufschaufeln angelegt wird. Die Anlegung der Anstoßkraft wird außerdem der Reihe nach mit einer Phasenverschiebung entsprechend ■ verschoben an die

einzelnen Laufschaufeln angelegt und die Impulsverteilung erfolgt der Reihe nach mit einer ^-Impulsverzögerung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Erzeugung und Messung von mechanischen Schwingungen an einem stationär angeordneten Rotationskörper mit einer Anzahl von beaufschlagten Gliedern, an denen piezoelektrische Elemente zur Schwingungsmessung angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Anzahl von beaufschlagten Gliedern (2) entsprechende Anzahl von Flip-Flop-Schaltungen (F) vorgesehen ist, daß die verschiedenen Flip-Flop-Schaltungen so ar geordnet sind, daß die Schalt-Ausgangsklemme {F'b) und die Rückstell-Ausgangsklemme (F"b) einer be- rs Jiebigen Flip-Flop-Schaltung mit der Schalt-Fmgangsklemmt F~\i\ und der Ruckstell-hingangsklemme der benachbarten Flip-Flop-Schaltung verbünden sind und daß auf dieselbe Weise die Ausgangs- und F.ingantisklemmen {F'h. Fb bzw / . /""(j) der einander benachbarten i-lip-Flop-S^iiaiiungen fortlaufend miteinander verbunden UiHl mithin die Flip-Flop-Schaltungen insgesamt ringförmig miteinander gekoppelt sind, daß ein Sender mit allen Trigger-Fingangen lF<h der Flip-Flop-Schaltungen verbunden ist und einen Verschiebeimpuls .'.ν) mit einer Frequenz gleich 11, n_: /i, aussendet in, = Drehzahl des Rotationskörpers (1). n₂ - Anzahl der den Anstoß erzeugenden AnstoiiqueHen (3). "_, = Anzahl der beaufschlagten Glieder), daß die Flip Flop-Schaltungen zu Schaltungsgruppen zusammengeschlossen sind, die jeweils eine Anzahl, die gleich dem größten gemeinsamen Teiler von /I₂ und n_} ist. fortlaufender Flip-Flop-Schaltungen umfaßt, daß die piezoelektrischen Elemente {P) mit den Schalt-Ausgangsklemmen der Flip-Flop-Schaltungen so verbunden sind, daß ausgehend von einem ersten piezoelektrischen Element dieses Element und die piezoelektrischen Elemente, welche bei fortlaufender Numerierung eine Nummer gleich einem um die Zahl 1 vermehrten Vielfachen des Quotienten aus H₃ und dem größten gemeinsamen Teiler von /J₂ und ;i, haben, parallel zur Schalt-Ausgangsklemme der ersten Flip-Flop-Schaltung der ersten Schaltungsgruppe geschaltet sind, während das zweite (dritte usw.) und die in entsprechender Weise nachfolgenden piezoelektrischen Elemente parallel zur Schalt-Ausgangsklemme der Flip-Flop-Schaltung mit einer fortlaufenden Nummer n₂ (2 · /I₂ usw.) geschaltet sind, wobei die Flip-Flop-Schaltung mit der Nummer n₃ der ersten Flip-Flop-Schaltung entspricht, daß eine Gleichstromquelle an die Klemmen Tür direkten Durchschalteingang (F'c) einer speziellen Flip-Flop-Schaltung angeschlossen ist und daß eine andere Gleichstromquelle (C) mit allen Klemmen für direkten Rückstelleingang {F"c) der Flip-Flop-Schaltungen verbunden ist.

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