DE2049338A1

DE2049338A1 - Einrichtung zum Erfassen und Aus werten der Schwingungen von Verdichter Laufschaufeln oder dergleichen

Info

Publication number: DE2049338A1
Application number: DE19702049338
Authority: DE
Inventors: Robert Gustave Draveil Braun Adolf Dammarie Les Lys. Holz (Frankreich)
Original assignee: DETUDE DT DE CONSTRUCTION DE M
Current assignee: DETUDE DT DE CONSTRUCTION DE M
Priority date: 1969-10-07
Filing date: 1970-10-07
Publication date: 1971-04-22
Also published as: DE2049338B2; US3680363A; GB1310048A; FR2061983A5; DE2049338C3

Description

Dr. Ing. H. Negendank

Dipl. ing. H. Hauck C-ipi. Phys. W. Schmitz

3 München ^riz-, Kozsrhtr.23 Tel. 5 3S 05 36

Societe Nationale d'Etude et de
Construction de Moteurs d'Aviation

15o Boulevard Haussmann 75 -Paris-/ France

7. Oktober197o Anwaltsakte M-1347

Einrichtung zum Erfassen und Auswerten der Schwingungen von Verdichter-Laufschaufeln oder dergleichen

Die Erfindung bezieht sich auf Meß- und Regeleinrichtungen für rotierende Bauteile und insbesondere auf eine Einrichtung zum Erfassen und Auswerten von Laufradschaufel-Schwingungen eines Rotationsverdichters, insbesondere eines Verdichters eines Flugzeugstrahltriebwerkes.

Es ist bekannt, daß bei Strahltriebwerksverdichtern, die mit einem hohen Druckverhältnis pro Stufe arbeiten, in mittleren Betriebsbereichen häufig an den Eingangsbeschaufelungen ein Abreißen der j Luftströmung auftritt, was zu einer Oberbelastung führt, die !außerhalb der Bereiche optimaler Anpassung Unterschiede zwischen den Durchsatz-Druck-Charakteristiken der ersten und letzten Verdichterstufen zur Folge hat.

Um diesen nachteiligen Erscheinungen abzuhelfen, hat man zu verschiedenen Maßnahmen gegriffen. Eine der am weitesten verbreiteten

1 0 9 8 1 7 / U 0 0

Maßnahmen dieser Art besteht darin, die.. Eingangs stuf en unterhalb eines bestimmten Betriebsbereiches mit Hilfe von Ablaßventilen zu entlasten»

Eine derartige Maßnahme führt in mittleren Betriebsbereichen zu einem beträchtlichen Durchsatzverlust, und man muß darauf ~bedacht sein, ihre Anwendung möglichst zu beschränken. Da die Erscheinungen der StrömungsabTösüng von den Umgebungszuständen und insbesondere vom Massenstrom abhängen, also von Betrieksbe- _: dingungen, die sich beträchtlich mit der Flughöhe und Machzahl andern, lassen sich die Ablösungserscheihungen nicht mit Hilfe ■normalerweise zugänglicher Betriebsparameter, wie beispielsweise der Drehzahl, systematisch erfassen.

Die Ablösungserscheinüngen können eine Gefahr bedeuten, wenn sie mit der Eigenfrequenz der Schaufeln eine, Resonanz hervorrufen. Selbst wenn dies nicht der Fall ist und sie lediglich tolerierbare Ermüdungserscheinungen in den Schaufeln hervorrufen, sind sie ein Anzeichen für eine ungünstige Arbeitsweise des Verdichters. In jedem Fall ist es daher von Vorteil, sie festzustellen und gegebenenfalls möglichst bald zu unterdrücken.

Aus der US-PS 3.o58.339 ist eine Einrichtung zum Erfassen und Messen der Ablösungsschwingungen eines Turboverdichters belcahnt, die eine senkrecht zum Schaufelkranz in der Gehäuseirinenwand des Verdichters angeordnete Tasteinrichtung enthält, welche im Abstand

auf das Vorbeiwandern der beim Umlauf aufeinanderfolgenden Schaufeln anspricht und ein elektrisches Signal erzeugt, das in einer elektrischen Schaltung ausgewertet wird.

981I)UOO

Der Haupthachteil dieser bekannten Einrichtung besteht darin, daß sie ein Bezugssignal, d.h. ein zweites Signal, benötigt, das von dem rotierenden System mittels eines zu diesem Zweck besonders vorgesehenen Fühlers ermittelt wird, ohne den die Signalimpulse nicht ausgewertet werden können. Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden.

Zu diesem Zweck ist ein senkrecht zum Schaufelkranz in der Gehäuseinnenwand des Verdichters angeordneter Einzelfühler-vorgesehen, der im Abstand auf das Vorbeiwandern der umlaufenden Schaufeln anspricht und ein elektrisches Signal erzeugt, das einer elektronischen Schaltung zugeführt wird, und erfindungsgemäß wird das. vom Fühler erzeugte Signal als einziges Eingangssignal einer elektronischen Schaltung zugeführt, die Mittel zur Bestimmung des Modulationsgrades (Relativänderung der Frequenz,AF/F) aufweist !und bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes dieses j Modulationsgrades ein elektrisches Steuersignal für dem Rotations-

verdichter zugeordnete Organe abgibt, die geeignet sind, die i
j Schwingungen des Verdichters abzubauen.

Der Fühler kann von beliebig geeigneter Bauweise, beispielsweise 'ein elektrischer (elektromagnetischer, kapazitiver oder induktiver) oder auch ein optischer Fühler sein, und seine Bauart kann insbesondere von der Art des zur Herstellung der Laufschaufeln ver-'wendeten Materials abhängen.

j ·

\Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden beispielsweisen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.

1098 17/UOO

:■■■,-"τ

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschema der erfindungsgemäßen verwendeten elektrischen Schaltkreise, und

Fig. 2 die Anordnung eines Fühlers gemäß der Erfindung.

Erfindungsgemäß dient ein im Bereich des zu untersuchenden Laufrades angeordneter Einzelfühler dazu, die Schaufelschwingung zu ermitteln und daraus eine quantitative Aussage über die Schwingungen herzuleiten, die durch die sich drehenden Ablösungen der Luftströmung an einer umlaufenden Schaufel erzeugt werden, ohne daß es nötig ist, jedes einzelne Schaufelelement besonders abzutasten, wobei die zugeordnete elektronischen Mittel am Ausgang der Schaltung eine quantitative Information über den Gesamtmodu-1 ationsgrad der Durchlauffrequenz der vorbeiwandernden Schaufelspitzen ergibt. Diese Information ist proportional zu den wechselnden Belastungen, die sich unter Berücksichtigung der jeweiligen Schaufelschwingungen und der Art der Erregung aus den vorliegenden Betriebsverhältnissen ergeben.

Gemäß Fig. 2 ist der Fühler 1 von elektromagnetischer Bauart. Er enthält beispielsweise einen Kern 2 aus Eisen oder einem anderen ferromagnetischen Material₄ der mit seinem äußeren Ende fluchtend zur Innenfläche des Verdichtergehäuses 3 angeordnet ist und eine Spule 4 trägt, derart, daß bei einem Durchgang jeder Verdichterschaufel 5 der Streuwiderstand des Magnetkreises verändert und in der Spule U eine Wechselspannung erzeugt wird, deren Frequenz eine Funktion der Verdichterdrehzahl und der Schaufelzahl ist (wobei die Schaufeln in diesem Fall aus einem

1098 17/UOO

magnetischen Material bestehen).

Das vom Fühler erzeugte elektrische Signal hat infolgedessen eine Spannung mit der Frequenz des Durchgangs der Schaufeln, wobei diese Spannung, falls keine Schwingungen vorhanden sind, lediglich; entsprechend der Verteilung der Maßabweichungen der (infolge bei Schwingungen veränderten) Zwischenräume der Schaufelspitzen der verschiedenen Schaufeln moduliert ist. Die Amplitude der Modulation, die_ sich aus dem Schaufeldurchgang ergibt, ist proportional der Schwingungsamplitude.

Es ergibt sich die Gleichung:

F = F₀ [Ί + K₁A cos (A_at +?)]>

worin F die Durchgangsfrequenz der Schaufeln bei Abwesenheit von Schwingungen, IC ein Proportionalitätskoeffizient und A der Modulationsfaktor der Schwingung .-Λ.-' mit einem Phasenverschiebungs-

Cl ' '

winkel *f ist. Es ist ersichtlich, daß sich aus dem Signal F ein „seiner Modulation entsprechendes Signal· herleiten läßt, das der ; (veränderlichen) Größe der Schaufelschwingungen entspricht.

Für jeden Schaufeltyp gibt es eine experimentell feststellbare Beziehungj die die Belastungen angibt, denen die Schaufeln in Ab- . hängigkeit von der Amplitude der diese Belastungen hervorrufenden Schwingungsbewegungen unterworfen sind. Einem Belastungs-Grenzwert entspricht ein Grenzwert der Schwingungsamplitude. Erfindunggemäß wird die Modulation unter Bezug auf diesen Grenzwert bestimmt.-

Eine einfache einzelne Bohrung im Gehäuse gestattet die Halterung des Fühlers-, dessen Signal verstärkt und gefiltert wird, um auf j

- 6 - i

109817/1400

einem charakteristischen Frequenzband ein Signal zu erhalten., das die Modulation der Schaufelzwischenräume darstellt, sowie die Trägerfrequenz ebenso wie die durch geometrische Unregelmäßigkeiten hervorgerufenen Störungen auszuschalten. Ein derartiges,Frequenzband umschließt eine Oberschwingung der Fortpflanzungsfrequenz der Strömungsablösung, im absoluten Raum,, und gestattet die Ermittlung des Ausmaßes der Schaufelschwingungen; ■

Dieses Signal läßt sich-dazu verwenden, während einer vorgegebenen Zeitdauer ein herkömmliches Organ zu betätigen, das zur-Unterdrückung der durch die Strömungsablösung hervorgerufenen Schwingungen dient (Auslaßventile, Verstellung der Leits chaufein, Wassereinspritzung, usw.). . .·■;.■■■;..

Andererseits läßt sich das von der Meßschaltung abgegebene Signal, dessen Amplitude proportional der Schwingungsbelastung ist,· mit Vorteil zur Abschätzung der Schaufel-Wechselbeanspruchung verwenden. Gleichzeitig'kann das vom Fühler erzeugte Signal zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit des Verdichters benutzt werden.

Gleichfalls ist es möglich, Pumpen des Verdichters festzustellen und durch Einwirkung auf einen beliebigen zu diesem Zweck geeigneten Parameter wieder normale Betriebsbedingungen herzustellen.

Wie Fig. 1 insbesondere zeigt, dient der Fühler 1 zur Aussendung eines Signals mit einer Frequenz F-AF entsprechend der Modulation der Schaufelzwischenräume.

si;

10 981Τ/Ί400

Mit 6 ist eine stabilisierte Spannungsquelle bezeichnet. Mit dieser sind eine Reihe von an sich bekannten Bauteilen verbunden, und der unter Verwendung geläufiger Elektronik-Technik hergestellte Schaltkreis gestattet die Auswertung des vom Fühler erzeugten Signals. Mit 7 ist ein Vorverstärker und mit 8 eine Signal-Generatorstufe bezeichnet. Am Ausgang 9 läßt sich beispielsweise ein Signal abzweigen, das auf einem Drehzahl-Anzeigegerät Io unmittelbar die Drehgeschwindigkeit des Motors N angibt. Ein Parallelausgang 11 liegt an einem Frequenzdiskriminator 12 an, der zu einem Bandfilter 13 führt.

Am Ausgang des Filters kann eine Zweigleitung m vorgesehen sein,

j die zur Aufzeichnung der Schwingungen, erwünsehtenfalls nach Verstärkung im Verstärker 16, in einem Aufzeichnungsgerät 15 dient. ,

I . *

ί .

I Ober eine weitere- Zweigleitung 17 werden die vom Bandfilter durch*

gelassenen Signale einem Steuerglied, beispielsweise den Ablaßventilen 18 zugeführt, nachdem sie den Verstärker 19, den Detektor 2o, den Auslöser 21, den monostabilen Schalter 22 und das I Steuerrelais 2 3 durchlaufen haben.

Der monostabile Schalter 22 kann für Frequenzen F<F (charakteristische Frequenz) durch eine Spannung verriegelt werden, die von einem die Frequenz in eine Spannung umwandelnden Diskriminator 24 beim Auftreten eines Signals erzeugt wird, welches über die stromabwärts der Signal-Generatorstufe 8 gelegene Zweigleitung 9 und den Auslöser 25 zugeführt wird.

1 098 17/ UOO

Nach dem Ansteuern der Ablaßventile schließt sich das Ablaßventil wieder, sobald der monostabile Schalter 22 selbsttätig wieder in ;

die Ruhestellung zurückkehrt. Die Schaltzeiten des monostabilen ; Schalters werden am günstigsten experimentell festgestellt. Der
zum Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung benötigte Schwellen+· wert wird vorzugsweise im Verstärker 19 eingestellt. . · ■

109817/UOO

Claims

Patentansprüche

l.\ Einrichtung zum Erfassen und Auswerten von Schwingungen von Verdichter-Laufschaufeln, mit einer senkrecht zum Schaufelkranz in der Gehäuseinnenwand des Verdichters angeordneten Tasteinrichtung, die im Abstand auf das Vorbeiwandern der beim Umlauf aufeinanderfolgenden Schaufeln anspricht und ein elektrisches Signal erzeugt, das in einer elektrischen Schaltung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Tasteinrichtung aus einem Einzelfühler (.1) besteht und daß das von dem Einzelfühler gelieferte Signal als einziges Eingangssignal einer an sich bekannten elektronischen Schaltung (7 bis 25) zugeführt wird, die Mittel (21) enthält, die aus dem Signa die relative Änderung der Frequenz des Signals ermitteln und bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes dieser ReIativänderung ein als Steuersignal verwendbares elektrisches Signal erzeugen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem Steuersignal abgeleitetes Signal auf wenigstens ein

109817/UOO

— " - ίο"- " " 204933s

zur Ausschaltung der Verdichterschwingungen vorgesehenes Organ (18) gegeben wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Organ (18) mittels eines elektrischen Bauteils, beispielsweise in Form eines monostabilen Schalters (22), gesteuert sind, der nach einer vorgegebenen Zeitdauer in seine Ruhelage zurückkehrt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel (24) zur Sperrung des Schalters (22) für Signale einer unterhalb einer vorgegebenen Bezugsfrequenz liegenden Frequenz.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal unmittelbar oder in umgewandelter Form einem Drehzahl-Anzeigegerät (lo) zugeführt wird!.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal unmittelbar oder in umgewandelter Form einem Schwingungs-AufZeichnungsgerät (15) zugeführt wird.

1098 17/UOO