DE2049338C3

DE2049338C3 - Vorrichtung zum Erfassen und Beseitigen von Ablöseschwingungen durch rotierende Abreißströmung an Verdichterschaufeln

Info

Publication number: DE2049338C3
Application number: DE2049338A
Authority: DE
Inventors: Adolf Dammarie-Les-Lys Braun; Robert Gustave Dravell Holz
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1969-10-07
Filing date: 1970-10-07
Publication date: 1980-10-09
Also published as: GB1310048A; US3680363A; FR2061983A5; DE2049338B2; DE2049338A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen und Beseitigen von Ablöseschwingungen durch rotierende Abreißströmung an Verdichterschaufeln, mit einem gehäuseseitig angeordneten Geber zum Ermitteln einer charakteristischen Schaufelschwingung, die, als Signale auf einen Reg-'sr gegeben, bei Überschreiten einer vorbestimmten Größe eine Stelleinrichtung betätigen.

Es ist bekannt, daß bei Strahltriebswerksverdichtern, die mit einem hohen Druckverhältnis pro Stufe arbeiten, in mittleren Betriebsbereichen häufig an den Eingangsbeschaufelungen ein Abreißen der Luftströmung auftritt, was zu einer Überlastung führt, die außerhalb der Bereiche optimaler Anpassung Unterschiede zwischen den Durchsatz-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 Maßnahmen dieser Art besteht darin, die Eingangsstufen unterhalb eines bestimmten Betriebsbereiches mit Hilfe von Ablaßvent'lenzu 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 Strömungsablösung von den Umgebungszuständen und insbesondere vom Massenstrom abhängen, also von Betriebsbedingungen, die sich beträchtlich mit der Flughöhe und Machzahl ändern, lassen sich die Ablöseerscheinungen nicht mit Hilfe normalerweise zugänglicher Betriebsparameter, wie beispielsweise der Drehzahl, systematisch erfassen.

Die Ablösungserscheinungen 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 ns daher von Vorteil.

sie festzustellen und gegebenenfalls möglichst bald zu unterdrücken.

Zur Pumpverhütung von Axialverdichtern ist es bekannt (DE-OS 14 28 023), an einer Leitschaufel einen Schwingungsfühler anzubringen und die Schwingungsamplitude der Schaufel als Regelgröße zu verwenden. Andererseits ist es auch bekannt (US-PS 30 58 339), in der Gehäuseinnenwand des Verdichters einen Geber zu befestigen, der beim Vorbeilaufen der Schaufeln ein elektrisches Signal erzeugt, das in einer ^haltung ausgewertet wird, um den Schwingungszustand einer bestimmten Schaufel zu bestimmen. Zu diesem Zweck muß ein Bezugsimpuls erzeugt und der zu einer bestimmten Schaufel gehörende Impuls ausgeblendet werden, dessen Form zur Beurteilung des Schwingungszustandes der Schaufel herangezogen wird. Ferner ist ein Meßverfahren bekannt (Bristol Siddeley Journal; VoI. 3, Nr. 2, Winter 1961/62, S. 52-56), bei dem im Gehäuse des Verdichters ein durchlaufender Leiter in Form eines Gitternetzes benötigt wird, von dem das von einem Magneten in der Schaufelspitze induzierte Signal abgenommen wird.

Demgegenüber besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, das Erfassen der Ablöseschwingungen zu vereinfachen

Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Geber auf das Vorbeilaufen der einzelnen Schaufel-spitzen anspricht und eine vom Geber gelieferte Impulsfolge einer elektronischen

Schaltung zugeführt wird, von der die Änderungen der Impulsabstände ermittelt werden und bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes die Stelleinrichtung betätigt wird.

Erfindungsgemäß bedarf es also nur eines einzelnen Gebers, der die Impulsfolge liefert, während die elektronische Schaltung die durch die Schaufelschwingungen modulierten Impulsabstände auswertet.

Als Geber kann ein elektromagnetischer, kapazitiver oder induktiver oder auch ein optischer Geber Verwendung finden, wobei die Rauart insbesondere vom Werkstoff für die Laufschaufeln abhängig ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung der elektroni-

•*'⁵ sehen Schaltung und

F i g. 2 die Anordnung des Gebers im Verdichter.
Ein im Bereich des zu untersuchenden Laufrades angeordnete Geber dient dazu, die Schaufelschwingung zu ermitteln und daraus eine quantitative Aussage über

w die Schwingungen herzuleiten, die durch die rotierende Abreißströmung der Luft an einer umlaufenden Schaufel erzeugt werden, ohne daß es nötig ist, jede einzelne Schaufel eigens abzutasten. Dabei liefert eine zugeordnete elektronische Schaltung eine quantitative

'>"> Information über den Gesamtmodulationsgrad der Durchlauffrequenz der vorbeiwandernden Schaufelspitzen. Diese Information ist proportional zu den wechselnden Belastungen, die sich unter Berücksichtigung der jeweiligen Schaufelschwingung™ und der Art

<■■'> der Erregung aus den vorliegenden Betriebsverhältnissen ergeben.

Gemäß F i g. 2 ist ein elektromagnetischer Geber mit seinem äußeren Ende fluchtend zur Innenfläche des Verdichtcrgehiiuses 3 angeordnet. Er enthält beispiels- · weise einen Kern 2 aus Eisen oder einem anderen ferromagnetischen Material und trägt eine Spule 4, so diiß bei einer:) Durchgang jeder Verdichterschaufel 5 der .Streuwiderstand des Magnetkreises verändert und

in der Spule 4 eine Wechselspannung erzeugt wird, deren Frequenz eine Funktion der Verdichterdrehzahl und der Schaufelzahl ist (wobei die Schaufeln in diesem Fall aus einem magnetischen Material bestehen).

Das vom Geber erzeugte elektrische Signal hat infolgedessen einen Spannungsverlauf mit der Frequenz des Vorbeilaufens der Schaufeln, wobei die Spannung, falls keine Schwingungen vorhanden sind, lediglich von unterschiedlichen Abständen (die sich infolge von Schwingungen verändern) der Schaufelspitzen moduliert ist Die Amplitude der Modulation, die sich aus dem vorbeilaufenden Schaufeln ergibt, ist proportional der Schwingungsamplitude.

Es ergibt sich die Gleichung:

F= F₀[I + K_xA cos (Ω₈ί+ζρ)]

15

worin F₀ die Durchlauffi equenz der Schaufeln bei Abwesenheit von Schwingungen, Kt ein Proportionalitätskoeffizient und A der Modulationsfaktor der Schwingung Cl_a mit einem Phasenverschiebungswinkel φ ist Es ist ersichtlich, daß sich aus dem Signal F ein seiner Modulation entsprechendes Signa! herleiten läßt, das der (veränderlichen) Größe der Schaufels^hwingungen entspricht

Für jeden Schaufeltyp gibt es eine experimentell feststellbare Beziehung, die die Belastungen angibt, denen die Schaufeln in Abhängigkeit von der Amplitude der diese Belastungen hervorrufenden Schwingungsbewegungen unterworfen sind. Einem Belastungs-Grenzwert entspricht ein Grenzwert der Schwingungsampli- JO tude. Erfindungsgemäß wird die Modulation unter Bezug auf diesen Grenzwert bestimmt.

Eine einfache einzelne Bohrung im Gehäuse gestattet den Einbau des Gebers, dessen Signal verstärkt und gefiltert wird, um ein Signal zu erhalten, das die Modulation der Schaufelzwischenräume in einem charakteristischen Frequenzband darstellt, und um die Trägerfrequenz zu eliminieren, so daß die durch geometrische Unregelmäßigkeiten hervorgerufene Störungen vermieden sind. Ein derartiges Frequenzband schließt ein··; Oberschwingung der Fortpflanzungsfrequenz der Strömungsablcsung im absoluten Raum ein und gestattet es, das Ausmaß der Schaufelschwingungen zu bestimmen.

Dieses Signal läßt sich dazu verwenden, während 4s einer vorgegebenen Zeitdauer eine herkömmliche Vorrichtung zu betätigen, die zur Unterdrückung der durch die Strömungsablösung hervorgerufenen Schwingungen dient (Auslaßventile, Verstellung der Leitschaufeln, Wassereinspritzung usw.).

Andererseits läßr sich das von der Schaltung abgegebene Signal, dessen Amplitude proportional der Schwingungsbelastung ist, mit Vorteil zur Abschätzung der Schaufel-Wechselbeanspruchung verwenden. Gleichzeitig kann das vom Geber erzeugte signal zur Ermittlung der Drehzahl des Verdichters benutzt werden;

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

In Fig. 1 liefert der Geber 1 ein Signal mit einer Frequenz F* AF entsprechend der Modulation der Schaufelzwischenräume.

Eine stabilisierte Spannungsquelle 6 dient zur Versorgung mehrerer an sich bekannter Schaltkreise, die unter Verwendung geläufiger Elektronik-Technik die Auswertung des vom Geber erzeugten Signals gestatten. Am Ausgang 9 einer Impulsformstufe 8, die an einen Vorverstärker 7 angeschlossen ^St, wird ein Signal abgenommen, das am Anzeigegerät 10 'inmittelbar die Drehzahl des Laufrades anzeigt Ein paralleler Ausgang 11 führt an einen Frequenzdiskriminator 12 und seinen Bandfilter 13.

Am Ausgang des Bandfilters ist ein Abzweig 14 vorgesehen, der über einen Verstärker 16 an ein Gerät 15 zum Aufzeichnen der Schwingungen führt Über einen weiteren Abzweig 17 werden die vom Bandfilter 13 durchgelassenen Signale einer Stelleinrichtung 18, beispielsweise den Ablaßventilen zugeführt, nachdem sie den Verstärker 19, den Detektor 20, den Auslöser 21, einen monostabilen Kippschalter 22 und ein Steuerrelais 23 durchlaufen haben.

Der monostabile Kippschalter 22 kann für Frequenzen F < F₀ (charakteristische Frequenz) durch eine Spannung gesperrt werden, die in einem die Frequenz in eine Spannung umwandelnden Diskriminator 24 beim Auftreten eines Signals erzeugt wird, das über die Leitung 9 dem Diskriminator 24 zuge^führt wird, der über eine Auslöseeinrichtung 25 mit dem monostabilen Spalter 22 verbunden ist.

Nach dem Betätigen der Ablaßventile werden diese wieder geschlossen, sobald der monostabile Schalter 22 selbsttätig wieder in die Ruhestellung zurückschaltet. Die Schaltzeiten des monostabilen Schalters werden durch Versuche ermittelt. Der Grenzwert zum Betätigen der Stelleinrichtung wird vorzugsweise im Verstärker 19 eingestellt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

Claims

Patentansprüche:

1, Vorrichtung zum Erfassen und Beseitigen von Ablöseschwingungen durch rotierende Abreißströmung an Verdichterschaufeln, mit einem gehäuseseitig angeordneten Geber (Fühler) zum Ermitteln einer charakteristischen Schaufelschwingung, die, als Signale auf einen Regler gegeben, bei Oberschreiten einer vorbestimmten Größe eine Stelleinrichtung betätigen, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (1) auf das Vorbeilaufen der einzelnen Schaufelspitzen anspricht und eine vom Geber gelieferte Impulsfolge einer elektronischen Schaltung (7,8,12,13,19,20) zugeführt wird, von der die Änderungen der Impulsabstände ermittelt werden und bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes die Stelleinrichtung betätigt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der elektronischen Schaltung und der Stelleinrichtung ein monostabiler Schalter (22) angeordnet ist, der die Stelleinrichtung nach einer vorbestimmten Zeitdauer in den Ausgangszustand zurückführt