DE1926494C - Vorrichtung zur Erzeugung und Messung von mechanischen Schwingungen an einem stationär angeordneten Ro tationskorper - Google Patents

Description

/, = H₁ · /I₂

(mit /(, = die Drehzahl des Rotationskörpers um /I₁ = die Anzahl der den Anstoß erzeugenden An stoßquellen bzw. Düsen) angelegt. Die Zeitspanne während welcher eine bestimmte Laufschaufel der Abstrom einer bestimmten Statorschaufel bzw. Düsi durchläuft und dann eine unmittelbar benachbarU Laufschaufel diesen Abstrom durchläuft, enlsprichi

der Formel , d.h. dem Reziprok wert de;

«1 · "j

Produkts aus der Drehzahl (/I₁) des umlaufender Körpers und der Anzahl von Laufschaufeln (h,| Demzufolge trifft die schwingungserzeugende Krall die einander benachbarten Laufschaufeln der Reilu nach mit einem Phasenunterschied bzw. in den Zeit-

abständen ■ ■ - .

/I₁ ■ /Ij

Die Laufschaufeln sind gruppenweise mit I IiIIi von Randhaltern oder Börtclmetall elastisch miteinander verspannt und bilden somit ein endliche·- Schaufelgitler. Diese Konstruktion macht die theoretische Analyse lies lk'triebszuslaiuls der Laufschaufeln

schwierig, und zwar im Gegensalz zu einer Einzelschaufel oder einem unendlichen Sehaufelgitter, deren Schwingungsverhalten sich leicht mathematisch bestimmen läßt. Aus diesem Grunde ist es unbedingt notwendig, das Schwingungsverhalten von Laufschaufeln experimentell exakt bestimmen zu können.

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

Bei dieser Vorrichtung zur Schwingungserzeugung muß für jede spezielle Konstruktion z. B. des Rotors oder der Laufschaufeln jeweils ein besonderer Rotor zur Schwingungsprüfung vorgesehen werden. Dies erfordert einen beträchtlichen zusätzlichen Konstenaufwand. Darüber hinaus ermöglicht diese Vorrichtung nur eine Messung des begrenzten Abschnitts, an welchem der Spannungsmesser angebracht ist. Wenn darüber hinaus z. 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 Glieds zu bestimmen und muß die Plazierung des Meßgeräts währerd eines Meßvorgangs 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 hergestell: werden, wenn das Verhältnis der Steigung des anregenden Teils, wie der Düse, zur Steigung des beaufschlagten TuIs, wie der Laufschaufel, geändert wird.

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

Bei anderen herkömmlichen Schwingungscrzeugungs-Verfahren, 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 zu versetzen, ist es außerdem unmöglich, die beaufschlagten Glieder gleichzeitig mit einer dem Abstroni jeder Düse entsprechenden Phasenverschiebung unzurcgcii. Aus diesem Grund ist es unmöglich. das tatsächliche .SYliwingungsverhallen genau zu reproduzieren.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vor- (>s richtung 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 di schwingungsanregenden Kräfte an den jeweilige) Schaufeln einer Turbine angreifen sollen, die elektro nische Bauelemente zur Ansteuerung von piezo elektrischen Elementen besitzt und darüber hinau: die Nachteile des Bekannten vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge löst, daß eine der Anzahl von beaufschlagten Gliederr entsprechende Anzahl von Flip-Flop-Schaltungen vorgesehen ist. daß die verschiedenen Flip-Flop-Schaltungen so angeordnet sind, daß die Schalt-Ausgangsklemme und die Rückstell-Ausgangsklemme einer beliebigen Flip-Flop-Schaltung mit der Schalt-Eingangsklemme und der Rückstell-Eingangsklemme der benachbarten Flip-Flop-Schaltung verbunden sind und daß auf dieselbe Weise die Ausgangs- und Eingangsklemmen der einander benachbarten Füp-Flop-Schaltungen fortlaufen^ miteinander verbunden und mithin die Flip-Flop-Schaitungen insgesamt ringförmig miteinander gekoppelt sind, daß ein Sender mit allen Trigger-Eingängen der Flip-Flop-Schallungen verbunden ist und einen Verschiebeimpuls mit einer Frequenz gleich />, - n₂ ■ «j aussendet (/!, = Drehzahl des Rotationskörpers. n₂ = Anzahl der den Anstoß erzeugenden Anstoßquellen, ;i, = Anzahl der beaufschlagten Glieder), daß die Flip-FIop-Schaltungen zu Schaltungsgruppen zusammengeschlossen sind, die jeweils eine Anzahl, die gleich dem größten gemeinsamen Teiler von n₂ und /1, ist. fortlaufender Flip-Flop-Schaltungcn umfaßt, daß die piezoelektrischen Elemente mit den Schalt-Ausgangsklemmen der Mip-Flop-Schaltungen so verbunden sind, daß ausgehend von einem ersten piezoelektrischen Element dieses Element und die piezoelektrischen Elemente, weiche bei fortiaufender Numerierung eine Nummer gleich einem um die Zahl 1 vermehrten Vielfachen des Quotienten aus n_} und dem größten gemeinsamen Teiler von /I₂ und ;;, haben, parallel zur Schalt-Ausgangsklemme der ersten Flip-Flop-Schallung der ersten Schaltungsgruppe geschaltet sind, während das zweite (dr-ttc usw.) und die in entsprechender Weise nachfolgenden piezoelektrischen Elemente parallel zur Schall-Ausgangsklemme der Flip-Flop-Schaltung mit einer fortlaufenden Nummer H₂ (2 · n₂ usw.) geschaltet sind, wobei die Flip-Flop-Schaltung mit der Nummer n₃ der ersten Flip-Flop-Schaitung entspricht, daß eine Gleichstromquelle an die Klemmen für direkten Durchschaltcingang einer speziellen Flip-Flop-Schaltung angeschlossen ist und daß eine andere Gleichstromquelle mit allen Klemmen für direkten Rückstcllcingang der Flip-Flop-Schaltungen verbunden ist.

Die erlindungsgemäße Vorrichtung läßt sich vorteilhafterweise durch Änderung der Schaliungsverbindungci. und oder der Schaltungsparameter zur Prüfung von Turbinen mit einer beliebigen Anzahl von Schaufeln verwenden, wobei die Anpassung an eine bestimmte Schaufclanzahl 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 Triggereingang gewährleisten darüber hinaus eine einwandfreie Funktion selbst bei gleichzeitigem Anlegen von zwei Impulsen an die Flip-Flop-Schaltung.

Erfmdimi'<i"'m^:'^(t ι·'"·-' ■· -^:- '

entsprechend der Schwingungszahl //, · n₂. welche das Produkt der Anzahl von Anrcgungsquellen n, und der Drehzahl>/, einsprechend der latsiichlichen Drehzahl eines Rotationskörpers ist, an den stationären Rotationskörper angelegt und der simulierte Anstoß der Reihe nach an die benachbarten Glieder, z. U.

Schaufeln, mit einer Phasenverschiebung . d. h.

"l ' ".1

dem Reziprokwert des Produkts aus der Drehzahl », und der Zahl der beaufschlagten Glieder /ι,, angelegt. Wesentlich ist, daß den beaufschlagten Gliedern eine ähnliche Schwingkrafl 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 Resonanzeigenschaflcn gegenüber den Anregungsqiiellen. genau messen lassen.

Da an die beaufschlagten Glieder des Rotationskörpers eine Anstoßkraft entsprechend der Schwingungsanzahl Μ, · /I₂. welche das Produkt aus der Anzahl der Anregungsqiiellen /I₂ 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 Bctricbsfrequcnz identisch ist. Jedes der beaufschlagten Glieder wird damit jedesmal beeinflußt, wenn dieses mit der Dichzam n, je Zeiteinheit vor einer Anzahl H₂ von Anrcgungsqucllcn umläuft, wobei der Anstoß an die benachbarten bzw. nachfolgenden beaufschlagten Glieder der Reihe nach mit einer gleichen Phasenverschiebung von . d. Ii. dem Reziprokwert des

Produkts aus der Drehzahl //, und der Anzahl der beaufschlagten Glieder /ι,, 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 bctreffendcAnrcgungsquel Ic gelangte beaufschlagte Glied einen Anregungsstoß durch die Anrcgungsqucllc. 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 Glied ohne Drehung des Drehkörpers ein Anstoß erteilt werden kann, welcher demjenigen im tatsächlichen Betrieb entspricht, ist es erfindungsgemäß möglich, das Schwingungsverhalten des beaufschlagten Glieds unmittelbar zu beobachten und ohne weiteres sein Verhalten durch Anbringen von Fühlern und Meßgeräten an den entsprechenden Teilen auszuwerten. Da beim erfindungsgemäßcn Verfahren außerdem keine Schleifringe erforderlich sind, läßt sich das Phasenverhältnis der Schwingungen der beaufschlagten Glieder ils Ganzes ohne weiteres innerhalb einer kurzen Zeitspanne überprüfen. Ebenso ist es möglich, die Sehwingversuchc an der Maschine selbst durchzuführen, ohne einen speziellen Prüf-Drehkörpcr vorzusehen. Hierdurch können die Versuchsergebnisse verbessert und die Versuchskosten erheblich gesenkt werden. Da auch der Drehkörper nicht in Drehung versetzt zu werden braucht, fällt das bei der Drehbewegung des Drehkörpers entstelende Geräusch weg. und das Meßgerät ist somit eeeen Schaden geschützt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsforn der Frfindung an I land von Zeichnungen näher er läutert. Fs zeigt

F" i g. 1 einen Längsschnitt durch einen bekannte! Schwingungserzeuger,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-Il ties bekannten Schwingungserzeuger gemäß F i g. I.

F i g. 3 ein Schaltbild einer .schwingungsanregende! Vorrichtung mit den Merkmalen der Frfindung.
ίο I·' i g. 4 ein Schallbild einer einen wesentlichen Bauteil der Vorrichtung gemäß F i g. 3 darstellenden F'lip-Flop-Schaltung,

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

F i g. 6 ein Diagramm zur Darstellung des Ztistands.

in welchem der Aiisgang.simpuls 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 "vcrden,

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

Fig. IO bis 13 schematise!;;: Darstellungen zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der der Spannungs-Komparalorstufc der Ausführungsform gemäß F'i g. 9 nachgeschaltelcn Schaltung, wobei Fig. IO den Zustand veranschaulicht, in welchem eine vom Integrator übertragene symmetrische Dreieck-Wcllenform 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 Differcnticrsehaltung bzw. die Clippers veranschaulichen.

Diese in den F i g. I und 2 dargestellte herkömmliche Vorrichtung weist einen Antriebskörper 4 auf. während an Stelle von z. B. Dampfdüsen eine gleiche Anzahl von Wasserdüsen 3 im Anlriebskörper 4 mit gleichen Abständen voneinander und Laufschaufeln 2 gegenüberliegend angeordnet sind, welche am Außenabschnitl einer Drehscheibe I angeordnet sind. Eine in ihrer Verlängerung mit der Drehscheibe 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 Antriebskörper 4 wird durch eine nicht dargestellte Pumpe mit Druckwasscr 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 Laufschaufeln 2 gleichzeitig durch die von den Wasserstrahlen ausgeübte Kraft eine ungleichmäßige periodische Schwingung in Umfangsrichtung aufgeprägt wird.

An einer Laufschaufel ist ein Spannungsmesser? angebracht, dessen Zuleitung mit einem auf der Antriebswelle 5 angeordneten Schleifring 8 verbunden ist. so daß die mechanische Spannung bzw. Beladung der Laufschaufel 2. an welcher das Meßgerät 7 angebracht ist. gemessen werden kann, während die Drehzahl der Antriebswelle 5. d. h. die Anzahl der der Laufschaufel 2 erteilten Schwingungen, durch einen an der Antriebswelle 5 angeordneten Drehzahlmesser 9 eemessen wird

und somit die Sehwingiingseigenschaften der Laufschaufel 2 festgestellt werden können.

Die I· i g. 3 und 4 zeigen eine Ausfuhiunusform der Erlindimg. bei welcher cine Turbine mil sechs !..aufschaufeln und einer Düse in Schwingungen versetzt s wird, in F i g. 4 sind mehrere Flip-Flop-Schallungen F dargestellt, die jeweils aus einem Teil l·". welche'· die Schaltung durchschallet, und einem Teil /·"" besieht, welcher ific Schallung rückstclii. Die Schall-Eingangsklcmmc F'a des Durchschaltlcils /·"' ist mit der Sehalt- po Ausgangsklemme F'h des Durchsehalt-Teils /■" der benachbarten I-Iip-Fiop-Schaltung über eine Leitung /,verbunden. DicRückstcll-EingangsklemmcF"« des Rückstellteils ist über eine Leitung /.' mit der Rückstell-Ausgangsklcmme F"h des benachbarten is Rückstellleils /·"" verbunden, Ersichtlicherweise sind mithin entsprechend der Anzahl der 1 urbinen-!.aufschaufeln sechs Flip-Flop-Schallimgcn /·' ringförmig miteinander gekoppelt.

Eine Direkt-Schaltcingangsklemme F'c ist nur an der eisten [FX) der sechs Flip-Flop-Schallungcn/·' vorgesehen,die Direkt-Rückstelleingangsklemmen F"e im Rückstclllci! 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 Rüekstc'l-Eingangsklcmme C verbunden.

Wenn der erste Schall-Impuls an die Direkt-Scha.icingangsklcmme FV angelegt wird, kann die Flip-Flop-Schallung nicht einwandfrei betrieben werden, wenn mehr als zwei Impulse gleichzeitig an sie angelegt werden. Zur Vermeidung dieses Zustands muß eine ein Rattern verhindernde Anordnung vorgesehen sein.

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

Die mit den Durchschaltteilen F' der Flip-Flop-Schaltungcn F gekoppelte Vcrbindungsleitung 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 durchgcschaltet und wird der Impuls über die Leitung L von der Schalt-Ausgangsklemme F'b zum piezoelektrischen Element F übertragen, so daß die Laufschaufel angestoßen wird. Wenn dagegen ein auf dem Rückstellniveau liegender Steuereingang an die Rückstellklcmme 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 Rückstell-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 Stellsignal an der Schaltung F anliegt, d. h., wenn eine Spannung angelegt ist. Die Schaltung F wird dagegen zurückgestellt, wenn ein Rückstellsignal anliegt.

Die Anordnung ist so ausgelegt, daß der Stell- und der Rückstell-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 Rückstcll-Eingangsklcmme C der Rückstellimpuls alle Flip-Flop-Schaltungen FI bis F 6 erreicht und mithin alle Flip-Flop-Schaltungcn F rückgcstellt werden. Mithin wird eine Spannung an die Leitungen L' X bis L'6 angelegt, welche die RückstcllteilcF" miteinander verbinden, während keine Spannungan die Leitungen L 1 bis /,6 angelegt wird, welche die Schaltfolie F' miteinander verbinden.

Wenn ein Einzclimpuls zum erstmaligen Durchschalten an die Klemme F'c für direkten Schaitcingang an der ersten Flip-Flop-Schaltung Fl angelegt wird, wird nur die Schaltung Fl durchgcschaltet, während die anderen Füp-Flop-Schaltungen Fl bis Fb rückgestcllt bleiben. Die zwischen die Schaltungen Fl und Fl eingeschaltete Leitung L'l wird mithin stromlos und die Leitung LX wird stromführend. Infolgedessen wird ein Impuls über die Leitung Fl an das mit der Leitung LX verbundene piezoelektrische Element /'I gelegt, so daß die mit diesem piezoelektrischen Element PX versehene Laufschaufel angestoßen wird. Andererseits bleiben die Schaltungen Fl bis Fd lüekgcstcllt, so daß an die anderen piezoelektrischen Elemente Pl bis Pb kein Impuls angelegt wird.

Wenn der erste Verschiebeimpuls (/.s7) von einem niclii dargestellten Verschiebc-Impulsgcbcr aus an eine Vcrschiebeimpuls-Klemmc S" angelegt wird, wird über die Ringverbindung S und die mit der Klemme .S'" verbundenen Leitungen S'X bis .S" 6 ein Auslöseimpuls an alle Flip-Flop-Schaltungen F angelegt.

In diesem Augenblick ist die Flip-Flop-Schaltung F1 durchgeschaltcl. Da die Leitung L6 jedoch leitet und somit der Rückstell-Stcucrimpuls an sie angelegt ist. wird die erslc Flip-Flop-Schaltung Fl zurückgestellt.

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

Die Schaltungen F3 bis F 6 gemäß F i g. 4 bis 6 sind rückgcstellt. und da die Leitungen L'l bis L'5 leiten, bleiben diese Schaltungen rückgestellt.

Auf diese Weise wird nur die Schaltung F2 durch den ersten Vcr.schiebeimpuls (JsI) aurchgeschaltet. so daß das zweite piezoelektrische Element Pl betätigt und nur die zweite Laufschaufel angestoßen wird.

Wenn nach diesem Vorgang der zweite Verschiebeimpuls fs! an die Klemme S" angelegt wird, wird nur die dritte Flip-Flop-Schaltung F 3 durchgeschaltet, während alle anderen Flip-Flop-Schaitungen FI. F2, F4. F5, Fb rückgestellt werden und somit nur die dritte Laufschaufel angestoßen wird.

Auf die beschriebene Weise werden die weiteren Schaltungen F4, FS, Fb der Reihe nach beim Ankommen der Verschiebeimpulse /s3, /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 fs des Verschiebeimpulses fs, der an die Klemme S" angelegt werden soll, mit dem Produkt der Drehzahl «, je Zeiteinheit des Drehkörpers, an welchem die Laufschaufeln angebracht sind, und mit der Anzahi n₂ von Statorschaufeln bzw. Düsen scwie dei Anzahl n₃ der Laufschaufeln übereinstimmt (fs = «, ■ n₂ · ;i₃). Die Anzahl der Flip-Flop-Schaltunger, wird entsprechend der Anzahl von Laufschaufeln eewählt

Die Atisfiihrungsform gemäß den 1·' i g. 3 und 4 gilt für den Fall, daß die Anzahl H₂ der Düsen 1 und die Anzahl h_, der Laufschaufeln 6 beträgt. F i g. 5 zeigt das Verhältnis zwischen dem Verschiebungsimpuls fs und dem au das erste bis sechste piezo- elektrische Element Pl bis P6 angelegten Vcrtcilerimpuls /„. Wc'-.n gemäß F i g. 5 der erste Impuls angelegt wird, wird dieser Impuls zum ersten piezoelektrischen Iilemcnt Pl übertragen, wodurch die erste Laufschaufel angestoßen wird. Durch Anlegung des ersten Verschiebungsimpulses Js₁ wird dann das zweite piezoelektrische Iilemcnt Pl betätigt. Auf diese Weise werden der Reihe nach das dritte bis sechste piezoelektrische Hlcmcnt P3 bis Pb jedesmal dann betätigt, wenn der Verschiebeimpuls fs übertragen wird. Wenn hierauf der sechste Vcrschicbungsimj"uls/s₍, übertragen wird, wird wiederum das erste piezoelektrische F.lemcnt /Ί erregt.

Jeweils dieselbe Laufschaufel erhält einen Anstoß in einer Zeitspanne von

H₂ =

Außerdem wird der Anstoß nacheinander mit einer Phasenverschiebung von — auf die nächstfolgende

Laufschaufel verschoben.

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

des Drehkörpers verändert 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 (n, = 6) und einer Düse (n₂ = Π bestehenden Turbine ein Anstoß erteilt wird. Zur Nachahmung des Zustands des Anstoßens einer Turbine mit sechs Laufschaufeln (», = 6) und zwei Düsen (n₂ = 2) ist die Anordnung dagegen derart getroffen, daß die Klemme F'fr, für Schaltausgang des Schaltteils der ersten Flip-Flop-Schaltung F₁ zum ersten, an der ersten Laufschaufel vorgesehenen piezoelektrischen Element P 1 und zum vierten piezoelektrischen Element P 4 an der vierten Laufschaufel parallel geschaltet ist, während die Klemme F'b₃ Tür den Schaltausgang der dritten Flip-Flop-Schaltung F3 zum zweiten und fünften piezoelektrischen Element PI und P5 und die Klemme F'b_s der fünften Flip-Flop-Schaltung F5 mit dem dritten und dem sechsten piezoelektrischen Element P 3 und P 6 parallel geschaltet ist.

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

und erhält mithin jede Laufschaufel einen Anstoß in Intervallen einsprechend

2h,

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

angelegt, was das Produkt aus der Periode des

Verschiebeimpulses

1 »1 ' »2 "j

und der Anzahl n₂

In_x der Düsen darstellt.

Die Flip-Flop-Schaltungcn Fl, F4 und F6. deren Schalt-Ausgangsklcmmcn F'h nicht mit den piezoelektrischen Elementen P verbunden sind, dienen zur Frcciuenzeinstellung und zur Einstellung der Phasen-

.10 lage.

Bei einer Turbine, bei welcher die Anzahl ;ι_Λ der Laufschaufeln 21 und die Anzahl n, der Düsen 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 drei Flip-Flop-Schaltungen aufgeteilt (die Zahl 3 ist der größte gemeinsame Nenner der Anzahl (n_} = 21) von Laufschaufeln und der Anzahl (h_z = 2,) von Düsen). Hierauf wird das erste piezoelektrische Element Pl mit der Schalt-Ausgangsklcmme FT)₁ der ersten Flip-Flop-Schaltung Fl der ersten Schaltungsgruppc und das zweite piezoelektrische Element Pl mit der Schalt-Ausgangsklcmme F¹H₁ der siebenten Flip-Flop-Schaltung Fl verbunden, die in der Flip-Flop-Schaltung der 27. Schaltung (»27« entspricht der Anzahl H₂ der Düsen), der Reihe nach gezählt von der ersten zur zweiten, dritten usw. der Flip-Flop-Schaltungen Fl, Fl. FTi usw., entspricht (Anmerkung: Da das Flip-Flop-Schaltungsnetz in Ringform aus 21 Schaltungen besieht, entspricht die 21. Schaltung der ersten Flip-Flop-Schaltung Fl). Auf gleiche Weife wird das dritte piezoelektrische Element P 3 mit der Schalt-Ausgangsklemme F'b₁₃ der 13. Flip-Flop-Schaltung und das vierte piezoelektrische Element P 4 mit der Ausgangsklemme F'b_i9 der 19. Flip-Flop-Schaltung verbunden. Infolge dieser Anordnung sind das erste piezoelektrische Element PS, welches das siebente vom ersten piezoelektrischen Element aus gezählt ist (d. h., »7« ist der Quotient aus der Zahl (;i₂ = 21) der Laufschaufeln dividiert durch den größten gemeinsamen Nenner mit der Zahl (n₃ = 21) der Laufschaufeln und der Zahl (n₂ = 27) der Düsen), sowie das fünfzehnte piezoelektrische Element PlS. welches das siebente vom achten Element aus gezählt darstellt, parallel zur Ausgangsklemme F'b_x der erster. Flip-Flop-Schaltung der ersten Schaltungsgruppe geschaltet.

Diese Verbindungen
ilgl erfassen: "

11

lassen sich tabellarisch wie

lip-l lop-Schiiltunpsgruppc

Nr.

l-'lip-l-'lop-Schuluinp

Nr.

4 5 6

W (Λ

10 11 12 13 14 15 16 17 IX 19 20

-11

Piczciclek irisches Hlcmcnl

Nr.

1.8.

5. 12.

16

6. 13.

3. 10.

In I' i g. 9 ist eine abgewandelte Ausfülmmgsforin der Lt lindung dargestellt. Die BczugszilTer I bezeichnet einen Sender für die übertragung einer Sinuswelle, deren Frequenz 2/, dem Doppelten der l'requenz /, - /ι, ■ /1, der periodisch an eine nicht dargestellte Laufschaufel angelegten Sehwingkraft entspricht. Die Ausgangsklenimc des Senders I ist an die Lingangsklcmmc eines Rechteckgenerator Il angcsch'essen, der aus einein Schmitt-Trigger, einer Differcntialschaltung und einem Flip-Flop besteht und den Sinus in eine symmetrische Rechlcckwcllc mit der Frequenz J₁ umformt.

Die Lingangsklcmme eines Integrators III ist an die Ausgangsklemme des Rechtcckgeneralors Il angeschlossen. Dieser Integrator integriert die symmetrische Rechtcckwellenform mit der Frequenz /, und wandelt sie in symmetrische Dreieckwellen um.

Die Ausgangsklemmc des Integrators 111 ist parallel an Spannungskomparatoren IV geschaltet, deren Anzahl gleich -,' . wenn /1, eine gerade Zahl ist. entsprechend der Hälfte der Zahl der Laufschaufeln /1,

7 14 21 ζs oder --^¹ ist, wenn /ι, eine ungerade Zahl darstellt.

4. II. IK

Wenn diese Flip-Flop-Sehallungen F und die piezo-."lcktrischen Elemente P aiii' die beschriebene Weise niteinander verbunden sind und ein Verschiebungsimpuls mit einer Frequenz gleich /ι, ·/1, /ι, = 567 /i, Ulf sie übertragen wird, werden 21 Laufschaufeln in :inem Intervall von

/ι, · /I₂ 27/1,

.ingestoßen, während die benachbarten bzw. anschließenden Laufschaufeln der Reihe nach mit einer Phasenverschiebung von

nämlich

21/1, 27/1, 567/1,

angestoßen werden. (Da die Zahl (/I₂ = 27) der Düsen größer ist als die Zahl (»₂ = 21) der Laufschaufeln, wird die Laufschaufel neben einer durch eine bestimmte Düse beaufschlagten Laufschaufel durch die neben dieser bestimmten Düse befindliche Düse beaufschlagt, bevor sie durch diese bestimmte Düse beaufschlagt wird. Aus diesem Grund ist die scheinbare Phasenverschiebung

1 n₂ - H₃ \

Die Ausgangsklcmme des Spannungskomparators IV ist mit einer Differentierschaltung V verbunden.
Zwei Clipper-Schakungen VI sind jeweils mit der

ίο Diffcrentierschaltung V verbunden, so daß die positiven und die iicguiiven 'impulse der Differenzierschaltung voneinander getrennt werden.

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

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 9 wird angenommen, daß /ι- = 1 (d. h. die Anzahl der Düsen gleich 1 ist) und /i, = 10 (d.h. die Anzahl der Laufschaufeln 10 beträgt). Eine vom Sender I gelieferte Sinuswelle mil einer Frequenz 2/, wird in symmetrische Rechteckwellen umgeformt, c^ren Frequenz gleich /j ist. Die Reckteckwcllen werden durch den Integrator III in symmetrische Dreicckwellen umgeformt.

Gemäß Fig. 10 sind diese symmetrischen Dreieckwellcn so eingestellt, daß ihre Amplitude auf 5 V gehalten wird. Fünf Spannungskomparatoren IVl, '"'2, IV3, 1V4 und IV5 liegen auf I, 2, 5, 7 bzw. 9 V. Wenn die Spannung der symmetrischen Dreieckwelle allmählich von ihrem Mindestwert auf ihren Höchstwert zunimmt, nämlich auf 1, 3, 5, 7 und 9 V, werden daher der erste bis fünfte Komparator IVl bis IV5 der Reihe nach betätigt. Wenn die Spannung der symmetrischen Dreieckwelle von ihrem Höchstwert gleich 10 V auf 9, 7, 5, 3 und 1 V abnimmt, werden der fünfte bis erste Spannungskomparator IV 5 bis IVl der Reihe nach abgeschaltet. Der erste bis fünfte Spannungskomparator IV1 bis IV 5 überträgt daher jeweils seinen Ausgang auf die in F i g. 11 dargestellte Weise.

Hierauf übertragen die mit den Spannungskomparatoren IVl bis IV5 verbundenen Differentierschaltungen Vl bis V5 gemäß Fig. 12 positive oder negative Impulse, wenn der betreffende Spannungskomparator ein Ausgangssignal liefert bzw. die Lieferung eines Ausgangssignals unterbricht.

Demzufolge bewirken zehn Clipper VIl, VI'1 bis VI5, VI'5, von denen jeweils zwei parallel zur üifferentierschaltung V geschaltet sind, daß jeweils der

leihe nach einer von fünf positiven Impulsen und ünf negativen Impulsen in der Phasenlage

H₁ ■ H₂ · Jl₃ H₁ · H₃

jbertraaen wird, welche dem Quotienten der Periode

/l

M₁ ■ /!-ι

= — »2 =

der der Laufschaufel erteilten _tSchwingkraft dividiert durch 10 entsprechend der Anzahl von Laufschaufeln is

entspricht. Nach der Periode γ- wird vom Clipper Vl I erneut ein positiver Impuls abgegeben.

Dies.er Impuls wird dann bei jedem Phasennachlauf über die mit den zehn Oippern VI1

bis Vl5. VI'l nis VT5 verbundenen Verstärker VIII bis VII5. Viri bis VIl'5 an die piezoelektrischen Elemente VIlIl bis VI1I5. VIII'1 bis VIII'5 angelegt. B- i der Ausführungsform gemiiß F i g. 9 kann der Anstoß ebenfalls unter denselben Bedingungen \ue im tatsächlichen Betriebsablauf an die Laufschaufeln angelest werden.

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

jedem Zeitpunkt entsprechend 7^7^777- übertragen wird, welcher den Reziprokwert des Produkts aus der Anzahl H₁ von Umdrehungen je Zeiteinheit des Drehkörpers und der Anzahl /1, vcn Anregungsquellen sowie der Anzahl n_} von angestoßenen Gliedern, wie der Laufschaufeln, darstellt, wobei dieser Impuls an die Laufschaufeln bei jeder Anzahl ji, von Impulsen angelegt wird, so daß eine Anstoßkraft mit einer Schwingungszahl n_x ■ iu an jede der Laulschaufcln angelegt wird. Die Anlegung der Anstoßkraft wird außerdem der Reihe nach mit einer Phasenverschiebung entsprechend - ■-- - verschoben an du

einzelnen Laufschaufeln angelegt und die Impuls verteilung erfolgt der Reihe nach mit einer n₂-Impuls verzögerung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Erzeugung und Messung von mechanischen Schwingungen an einem stationär angeordneter. Rotationskörper mit einer Anzahl von beaufschlagten Gliedern, an denen piezoelektrische Elemente zur Schwingungsmessung angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Anzahl von beaufschlagten ro Gliedern (2) entsprechende Anzahl von Füp-Flop-Sc^!" 'tungen (F) vorgesehen ist. daß die verschiedenen Flip-Flop-Schaltungen so angeordnet sind, daß die Schalt-Ausgangsklemme (F'b) und die Rückstell-Ausgangsklemme (F"b) einer beliebigen Flip-Flop-Schaltung mit Jer Schalt-Eingangsklemme {F'ci) und der Rückstell-Eingangsklen.ne der benachbarten Flip-Flop-Schaltung verbunden sind und daß auf dieselbe Weise die Ausgangs- und Eingangsklemmen {F'b. F"b bzw. F'a. F"a) der einander benachbarten rlip-Flop-Schaltungen (ortlaufend miteinander verbunden und mithin die Fhp-Flop-Schaltungen insgesamt ringförmig miteinander gekoppelt sind, daß ein Sender mit allen Trigger-Fingängen (Fi/) der Flip- z$ Flop-Schaltungen verbunden ist und einen Verschiebeimpuls (fs) mit einer Frequenz gleich H₁ · ;i₂ ■ H₃ aussendet (H₁ = Drehzahl des Rotationskörpers (Γ. H₂ = Anzahl der den Anstoß erzeugenden Anstoße;..,eilen (3). n, = Anzahl der beaufschlagten Clieder). daß die Flip-FIop-Schaltungen zu Schaltungsgr ppen zusammengeschlossen sind, die jeweils eine Anzahl, die gleich dem größten gemeinsamen Teiler von ;i₂ und /I₃ ist. fortlaufender Flip-Flop-Schaltungen umfaßt, daß die piezoelekirischen 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 /I₃ und dem größten gemeinsamen Teiler von H₂ und /I₃ 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 11, (2 · H₂ usw.) geschaltet sind, wobei die Flip-Flop-Schaltung mit der Nummer /1, der ersten Flip-Flop-Schaltung entspricht, daß eine Gleichstromquelle an die Klemmen für direkten Durchschalteingang (FV) einer speziellen Flip-Flop-Schaltung angeschlossen ist und daß eine andere Gleichstromquelle (C) mit allen Klemmen für direkten Rückstelleingang (F"c) der Flip-Flop-Schaltungcn verbunden ist.

   Die Erfindung betrifft eine 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.

   Bei einem bekannten Verfahren (deutsche Patent schrift 868 674) erfolat die Schwingungsanregung vor schwinafähisen Körpern durch Drehung von mi Nocken versehenen Scheiben, die mit einem Moto: cekoppelt sind. Beim Durchlauf der Nocken durcl einen Schlitz im Kern einer Spule werden Spannungs impulse induziert, die über einen Verstärker weit-.-r neleitet werden. Eine derartige Anordnung eignet sie! nur für eine vergleichsweise geringe Anzahl vo; Schaufeln, da ansonsten eine Vielzahl von Schcibei mit zugeordneten Nocken auf der Antriebswelle de·. Motois montiert sein müßten und dies zu konstruk tiven Schwierigkeiten rühren würde. Insbesondere ir der Werkstoffprüftechnik ist die Verwendung \o\ Flip-Flop-Schaltungen zur Impulssteuerung schor bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 1 473 622). Di₁ logischen Flip-Flop-Schaltungcn dienen hier der Hr zeugung eines Ausgangssignals bei einer bestimmte! zeitlichen Aufeinanderfolge von Signalen zur Kenn zeichnung von mit Fehlern behafteten Prüfstoffen wobei die~Ausgangssignale in ihrer zeitlichen Auftritts folae miteinander\ergi;chen werde.!. Darüber hinau werden in der Turbinentechnik zur Anregung um Messung von Schwingungen bereits seit längeren piezoelektrische Elemente verwandt (The Engineer I.Juni 1962. S. 978 ff.).

   Bei rotierenden Strömungsmaschinen, wie Damp! turbinen. Gasturbinen u. dgl., können an der Außen· fläche des rotierenden Teils auch entsprechend beau schlagte Glieder, wie ζ. B. Laufschaufeln, in bestimmte festgelegten Abständen angeordnet sein, während cir bestimmte Anzahl von Statorschaufeln odor Düse: neben diesen Gliedern angeordnet ist, welche ;i Schwingungserzeuger wirken, wobei der rotierend Körper~durch die Energie des aus den Düsen oder andern Bereich zwischen den Statorschaufelr ausströmen den Strömungsmitteis angetrieben wird. In diesen Fall nehmen "die Laufschaufeln die durch die (ie schwindigkeitsänderung des Strömungsmittels erzeug· ten Kräfte jedesmal auf. wenn sie bei ihrer Drehuih mit dem umlaufenden Körper unmittelbar an der Statorschaufeln bzw. Düsen vorbeilaufen. Mit an deren Worten wird an die Laufschaufeln die Schwin gungen erzeugende Kraft ei.isprechend dem Produl·;