EP2297555A2 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen des schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten stator- oder rotorscheibe - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum bestimmen des schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten stator- oder rotorscheibe

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Publication number
EP2297555A2
EP2297555A2 EP10721931A EP10721931A EP2297555A2 EP 2297555 A2 EP2297555 A2 EP 2297555A2 EP 10721931 A EP10721931 A EP 10721931A EP 10721931 A EP10721931 A EP 10721931A EP 2297555 A2 EP2297555 A2 EP 2297555A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blades
vibration
stator
phase
sound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10721931A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Meitzner
Harald SCHÖNENBORN
Ulrich Retze
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2297555A2 publication Critical patent/EP2297555A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M1/00—Testing static or dynamic balance of machines or structures
    • G01M1/14—Determining imbalance
    • G01M1/16—Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested
    • G01M1/22—Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested and converting vibrations due to imbalance into electric variables

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for detecting the vibration behavior of the individual blades of an integrally bladed stator or rotor disk and / or the entire integrally bladed stator or rotor disk for a compressor or turbine stage of a gas turbine or turbine engine for a mobile or stationary application.
  • Rotor disks for compressor or turbine stages of gas turbines or turbine engines for mobile or stationary applications have long been built from several separately manufactured pieces.
  • the rotor blades were positively connected to a disc or hub.
  • Rotor discs used first in compressor stages, then in low-pressure turbines and now in high-pressure turbines.
  • the rotor blades are manufactured separately and then materially connected to the hub, for example by means of a friction welding process.
  • stator disks are increasingly being inspected integrally.
  • Rotor disks In contrast to built stator or rotor disks have integrally bladed Stator two. Rotor disks (bladed disks, blisks in short) have a pronounced system natural vibration behavior. Since the blades of an integrally bladed stator or rotor disk never have completely identical properties, their natural frequencies differ slightly in mechanical vibrations, typically by a few percent or less. This slight scattering of the natural frequencies of not ideally equal stator or rotor blades is also referred to as mistuning. From the slightly different vibration behavior result in resonances strongly different vibration amplitudes of the individual blades. These amplitude peaks, typically by a factor of 2 to 5, but sometimes more, must be quantified on a test bench.
  • CONFIRMATION COPY vibrations of a rotor disk are excited by the fact that the gas stream in which they rotate is not homogeneous and not even perfectly axisymmetric.
  • adjacent components in particular upstream or downstream of the rotor disc arranged stator blades or other means of gas flow is spatially modulated.
  • Each individual blade of the rotating rotor disk is therefore subject to varying, in particular oscillating, forces.
  • all the rotor blades are exposed to approximately the same forces varying as a function of time, but depending on their position on the rotor disk at different times.
  • the time-dependent forces on the individual rotor blades of a rotating rotor disk are out of phase with each other. The same applies to the forces acting on the individual stator blades of a stator disk.
  • WO 2000/003197 (published in German as DE 699 34 474 T2) describes an excitation of a wave generated by a vibration excitation source and an image of the wave propagating on a diffusely reflecting surface by means of a reference wave front synchronous with the vibration excitation source is modulated. 5
  • An object of the present invention is to provide an apparatus, a method and a computer program for determining a vibration behavior of an integrally bladed stator or rotor disk.
  • Various embodiments of the present invention are based on the idea to excite 5 blades of a stator or rotor disk with different or even same predetermined phase relationships relative to a reference signal and to detect a resulting vibration of the stator or rotor disk in temporal relation to the reference signal.
  • the temporal reference of the detection of the oscillation to the reference signal is established, for example, by the fact that discrete points in time at which measured values o are detected, one or more predetermined phase relationships (mod 2 ⁇ ) to the
  • a vibration mode Before exciting and detecting vibrations, a vibration mode can be selected in which, for example, due to the intended installation situation in a turbomachine, the amplitudes of amplification caused by mistuning are of interest.
  • the phase relationships associated with the individual blades are then in particular defined or selected in such a way that the selected vibration mode is essentially a blade vibration mode at the defined phase relationships and does not or not substantially have the character of a disc vibration mode.
  • the distribution of the vibration energy in the stator or rotor disk can be used.
  • the phase relationships are selected so that derivatives of the eigenfrequencies do not exceed a predetermined threshold after the phase relationships.
  • phase relationships are defined such that the differences in the associated phase relationships are the same for all pairs of adjacent blades.
  • the phase relationships are then given (mod 2 ⁇ ) unambiguously by the number of node diameters or by the number of nodes of the spatially harmonic excitation.
  • the blades With an odd number of blades, which are evenly distributed around the circumference of the stator or rotor disk, not all pairs of directly adjacent blades can be excited in opposite phase. As an approximation, however, at least some blades can be excited in phase opposition.
  • the blades are divided into two groups, which are excited in opposite phase, with almost all adjacent Shovels alternately belonging to one group and the other group. At least one pair of nearest adjacent blades must belong to the same group.
  • the blades of the stator or rotor disk are excited with different amplitudes. The amplitude of the excitation increases from a minimum value (in particular zero) in the 5 pairs of nearest adjacent blades belonging to the same group, monotone or strictly monotone, to a maximum value in the blade opposite the pair.
  • the natural frequencies of the individual blades in their blade vibration modes can be determined with astonishing accuracy.
  • the blades are excited sequentially with a series of frequencies within a predetermined frequency interval. From the detected vibrations of the blades at the different frequencies, the natural or resonant frequency of each blade can be determined.
  • the described excitation of adjacent blades may be advantageous regardless of whether the blades are arranged uniformly or equidistantly or at equal angular intervals on the stator or rotor disk.
  • the method described here, in particular the excitation described here is no longer primarily concerned with the simulation of an excitation occurring in a real turbomachine under real operating conditions, but first with the determination of the natural frequencies of the individual
  • the blades can be excited successively at frequencies whose distances increase to the expected value of the natural frequency of individual blades.
  • the expected value is known, for example, from a numerical simulation or from a preceding measurement 0 on the same or a similar stator or rotor disk.
  • the natural frequencies of the blades o can be determined on the basis of the oscillations of the stator or rotor disk detected upon excitation with different frequencies.
  • the amplitude amplitudes of the blades resulting from the not completely identical natural frequencies of the individual blades can be numerically determined from the natural frequencies. Thereafter, the amplitude peaks can be used as input variables for numerical simulations of an entire turbine, an axial compressor or another turbomachine, of which the stator or rotor disk 5 is a component.
  • the oscillation is detected, for example, by laser vibrometry, whereby the oscillation at a plurality of predetermined points or locations on the stator or o rotor disk is detected in succession-or when several laser vibrometers are used simultaneously or partly simultaneously.
  • a scanning laser vibrometer can be used, as offered for example by the company Polytec in some variants.
  • Each blade may be excited by an associated sound generator coupled to the blade via air or other fluid.
  • the sound generators and their upstream devices can be calibrated.
  • a microphone is first brought into a defined spatial arrangement relative to a sound generator to be calibrated.
  • a microphone is to be understood here and below as meaning any device for detecting a sound pressure and / or a phase of sound.
  • the sound generator is controlled to produce sound that is detected by the microphone. Based on a comparison of actual and nominal values, the sound pressure and / or the phase of the sound generated by the sound generator is calibrated. Such a calibration can be done automatically.
  • each sound generator can be calibrated for several frequencies. The calibration factors thus obtained are stored, for example, in the form of an array. Alternatively or additionally, each sound generator can be calibrated for it before and / or after using a specific frequency.
  • Embodiments of the present invention may have a number of advantages, depending on the application.
  • a rapid and partially or fully automated determination of the amplitude overshoot for a large frequency range and numerous phase configurations is made possible or simplified.
  • phase relationships between the oscillations at the individual measuring points can be detected even with a sequential sampling of many measuring points.
  • the calibration which can also be integrated into an automated process, enables precise excitation and thus high accuracy of the measurement results.
  • Figure 1 is a schematic representation of an apparatus for detecting a
  • Figure 2 is a schematic representation of a section of a clamping plate
  • Figure 3 is a schematic representation of an excitation of a stator or rotor disk with an even number of blades
  • Figure 4 is a schematic representation of an excitation of a stator or rotor disc with an odd number of blades
  • Figure 5 is a schematic knot diameter diagram
  • FIG. 6 shows a schematic flowchart of a method for detecting a vibration behavior.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an integrally bladed rotor disk 10 with a plurality of rotor blades 14, 15 and a device 20 for detecting a vibration behavior of the rotor disk 10.
  • the contours of the rotor disk 10 are shown with a broken line, since they are not part of the device 20th is.
  • the diameter of the rotor disk 10 and the number, shape and size of the individual rotor blades 14, 15 are arbitrary and may differ significantly from the illustration in FIG.
  • the device 20 comprises a reference signal device 30 for receiving or generating a reference signal having a predetermined frequency.
  • the device 20 comprises several excitation devices 40, 50, of which only two are shown in FIG. 1 for reasons of clarity.
  • a first excitation device 40 is associated with a first rotor blade 14, a second excitation device 50 is associated with a second rotor blade 15.
  • the number of excitation devices 40, 50 corresponds to the number of rotor blades 14, 15 of the rotor disc 10 to be examined, and each rotor blade 14, 15 is assigned an excitation device 40, 50.
  • all exciter devices 40, 50 are the same as far as possible.
  • Each excitation device 40, 50 comprises a delay device 42, 52 whose input is coupled to a signal output of the reference signal device 30 in order to receive a reference signal from the reference signal device 30.
  • An output of the delay means 42, 52 is coupled to an input of an amplifier 44, 54.
  • An output of the amplifier 44, 54 is coupled to a sound generator 46, 56.
  • Each sound generator 46, 56 may be circular as indicated in FIG. 1 or may have another shape.
  • Each sound generator is for example an electrodynamic, electrostatic, magnetostatic, electromagnetic or ferroelekrischer speaker, a plasma tweeter or other electroacoustic transducer for generating sound or ultrasound.
  • Carriers, holders or other devices for holding the sound generators 46, 56 are not shown in FIG. However, an example is shown below with reference to FIG.
  • the device 20 comprises a microphone 60 or another device for
  • the microphone 60 is designed to be moved to each sound generator 46, 56 or to be arranged in a predetermined spatial arrangement relative to any sound generator 46, 56. Instead of a microphone 60, a plurality of microphones may be provided, which as a rule should be calibrated at least relative to one another.
  • the apparatus 20 further includes a scanning laser vibrometer 70 or other means for detecting the vibration of the rotor disk 10 at a plurality of measuring points 71, 72. In the case of a laser vibrometer, a laser beam 78 is successively directed to the measuring points 71, 72. The number and the arrangement of the measuring points 71, 72 can be adapted almost arbitrarily to the rotor disk 10 and the vibration behavior to be examined.
  • a signal input of the vibrometer 70 is coupled to the reference signal output of the reference signal device 30.
  • the vibrometer 70 is shown in FIG. 1 adjacent the rotor disk 10, an arrangement near the axis of the rotor disk 10 is optimal in many cases.
  • the reference signal device 30 shown separately in FIG. 1 may be part of the vibrometer 70.
  • the device 20 further comprises a controller 80 having a processor 82 and a memory 84.
  • the controller 80 is provided with the reference signal device 30, the delay devices 42, 52 and the amplifiers 44, 54 of the excitation devices 40, 50, the vibrometer 70 and optionally also coupled to the microphone 60.
  • an operating system and / or a computer program (in the form of software or firmware) for running on the processor 82 and parameters of a measuring program, as shown below with reference to FIG. 6, and Calibration factors are stored.
  • the parameters include, for example, amplitudes, frequencies and phase relationships or intervals of frequencies or phase relationships and step sizes with which these are to be changed.
  • Calibration factors for sound pressure and / or phase can be stored, for example, in the form of an array for all sound generators 46, 56 and several frequencies.
  • the controller 80 is configured to control the reference signal device 30, the delay devices 42, 52, the amplifiers 44, 54 and the vibrometer 60.
  • the controller 80 is designed to predefine the reference signal device 30 with a frequency for a reference signal in order to specify delays or phase relationships to be generated by the delay devices 42, 52 in order to be amplified by the amplifiers 44,
  • the controller 80 can be formed to receive measurement signals or measurement data from the microphone 60 and from the vibrometer 70.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a detail of a section through rotor blades 14, 15 of a rotor disk, a clamping plate 90 and sound generators 46, 56.
  • the section shown is a section along a circular cylindrical surface parallel to the axis of a rotor disk, whose components are the rotor blades 14 , 15 are.
  • the clamping plate 90 has a plurality of holders 92, on each of which a sound generator 46, 56 is arranged.
  • the shape of the individual holders 92 is adapted to the rotor blades 14, 15 and their interstices.
  • the clamping plate 90 with the brackets 92 is formed as stiff as possible and / or with vibration absorbers in order to oscillate in the method described below in the least possible extent itself.
  • the device 20 shown above with reference to FIGS. 1 and 2 may have a modular design, so that, for example, the number of excitation devices 40, 50 and the arrangement of the sound generators 46, 56 can be changed and adapted to different rotor disks 10.
  • the arrangement and spatial orientation of the sound generators 46, 56 may be variable, for example, manually or servo-motor.
  • a radial displaceability of the individual sound generators, for example on rails, can also be advantageous in the case of the calibration carried out in the context of the method described below.
  • Figure 3 shows a schematic representation of an excitation of a stator or rotor disk with an even number of blades. Only the sound generators 46, 56 and the amplitudes 47, 57 of the excitation by the sound generators 46, 56 are shown. The
  • Blades themselves are not shown in FIG. 3 for the sake of clarity. They are the sound generators, for example, as shown above with reference to FIG 2 opposite.
  • the illustrated amplitudes 47, 57 of the excitation are not to be confused with the amplitudes of the oscillations of the blades caused by the excitation.
  • FIG. 3 is indicated axonometrically; this is particularly the case with the elliptical representations of the individual sound generators and of the circle on which the Sound generator 46, 56 are arranged, recognizable.
  • the representation of the amplitudes 47, 57 as straight lines perpendicular to the sound generators 46, 56 indicates that the maximum of the sound pressure generated by a sound generator 46, 56 is emitted in this direction.
  • the sound generators do not have to be arranged in one plane.
  • the sound generators are instead arranged, in particular, substantially parallel to the respective associated blade.
  • the bars representing the amplitudes 47, 57 alternate in opposite directions. This indicates that adjacent sound generators each excite the associated blades with opposite phase.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an excitation of a stator or rotor disk with an odd number of blades. The representation is similar to that in FIG. 3. In particular, only the sound generators 46, 56, 96, 97 and the amplitudes 47, 57 of the excitation by the sound generators 46, 56 are shown.
  • adjacent sound generators 46, 56, 96, 97 are in opposite phase.
  • the amplitudes 47, 57 of the excitation are not the same for all sound generators 46, 56, 96, 97.
  • the amplitude is maximum for one sound generator 46 and minimum or zero for two opposite sound generators 96, 97.
  • the amplitudes of sound generators 46, 47, 96, 97 are shifted to sound generators with unchanged frequency.
  • Figure 5 is a schematic knot diameter diagram showing the natural frequencies of a plurality of different modes of a model integrally bladed rotor disk with 8 rotor blades as functions of the number of knot diameters.
  • the abscissa is assigned the number of nodal diameters, the ordinate the frequency, in particular the natural frequency, in kHz. Since the natural frequencies are the result of a numerical simulation, they are also available for non-integer nodule diameters.
  • Vane vibration modes and disk vibration modes are distinguished, for example, by the distribution of vibration energy within the rotor disk or the amount of energy exchange between rotor blades.
  • a vibration mode is referred to as a blade vibration mode if the proportion of the vibration energy attributable to the blades exceeds or does not fall below a predetermined threshold. Otherwise, the vibration mode is referred to as a disc vibration mode.
  • a vibration mode is referred to as a blade vibration mode when the energy exchange between rotor blades does not exceed a predetermined threshold, otherwise as a disk vibration mode.
  • vibration modes are not predominantly blade vibration modes in an interval of values of the number of nodal diameters, but disk vibration modes.
  • the natural frequency is in many cases significantly dependent on the number of knot diameters.
  • the derivation of the natural frequency is large according to the number of knot diameters.
  • blade vibration modes and disk vibration modes can therefore also be distinguished on the basis of the local value of the derivation of the natural frequency according to the number of nodule diameters. If the magnitude of the derivative does not exceed a predetermined threshold, there is a bucket oscillation mode, otherwise a bucket oscillation mode.
  • stator or rotor disk for detection of the slightly different natural frequencies of the individual blades, it may be advantageous to excite the stator or rotor disk at a number of node diameters at which the vibration mode is as pronounced as possible blade vibration mode.
  • FIG. 6 shows a schematic flowchart of a method for detecting a vibration behavior of an integrally bladed rotor disk or a similar component of a compressor, a turbine or another component of a gas turbine or a turbine engine.
  • this method can also be implemented with devices and devices other than those described above with reference to FIGS. 1 and 2, reference numerals from FIGS. 1 and 2 are used by way of example in order to improve the comprehensibility of the text.
  • a vibration mode is selected, in particular a blade vibration mode, for which the amplitude peak resulting from the properties of the blades 14, 15 which are not ideally identical is to be determined.
  • vibration modes of a rotor disk 10 are referred to as blade vibration modes, in which the vibration energy (oscillating between elastic energy and kinetic energy) is located substantially at the individual rotor blades 14, 15. This is accompanied by a low coupling or a low energy transfer between the individual rotor blades 14, 15.
  • the disc vibration modes are vibration modes in which a significant proportion of the vibration tion energy in the rotor disk between the rotor blades 14, 15 is located. In a disc vibration mode, the individual rotor blades 14, 15 are strongly coupled with each other, and an energy exchange between the individual rotor blades 14, 15 is possible.
  • blade vibration modes and disc vibration modes can be distinguished by means of a quantitative criterion.
  • the proportion of the rotor blades 14, 15 is considered in terms of the total vibration energy (oscillating elastic and kinetic energy) of the rotor disk 10.
  • limits l o of the rotor blades 14, 15 can be defined, for example the inner edges of the blades.
  • This proportion of the rotor blades 14, 15 at the vibration energy is compared with a predetermined threshold. If, in a considered vibration mode, the proportion of the rotor blades 14, 15 at the vibration energy exceeds the predetermined threshold value, the vibration mode is referred to as a blade vibration mode.
  • the energy flow or the energetic coupling between individual rotor blades 14, 15 is determined (for example in a numerical simulation) and compared with a predetermined threshold value.
  • the vibration mode is referred to as a blade vibration mode, otherwise as a disk vibration mode.
  • phase relationships are defined.
  • a phase relationship is defined for each rotor blade 14, 15 of the rotor disk 10 to be examined.
  • the frequency and the phase relationships result from the number of rotor blades 14, 15 of the rotor disk 10, from the number and arrangement of the stator blades or other devices, which are arranged in an intended use of the rotor disk 10 in the vicinity, in particular upstream, and from a fictitious rotational speed of the rotor disk 10.
  • phase relationships are selected so that a coupling between the individual rotor blades 14, 15 does not exceed a predetermined threshold, or if the vibration mode selected in the first step 101 is a blade vibration mode using the described criteria and not a disk vibration mode.
  • suitable phase relationships will be such that adjacent rotor blades 14, 15 are respectively excited with opposite phase or with a phase difference of ⁇ or 180 degrees.
  • a frequency is defined at which the vibration behavior of the rotor disk 10 is to be detected.
  • an expected value of the natural frequency of the vibration mode selected in the first step 101 is determined, for example on the basis of a numerical simulation of the rotor disk 10 or on the basis of measurements already carried out on the rotor disk 10 or a rotor disk of the same type.
  • a reference signal is generated with the frequency defined in the third step 103, for example by a reference signal device 30.
  • a sound generator 46, 56 in accordance with the reference signal, in particular with the frequency defined in the first step 101.
  • this sound is detected by a microphone 60 or other device for detecting a sound pressure and / or a phase of sound.
  • a calibration factor for the sound pressure or the phase is determined.
  • the calibration factor for example, enters the delay of the reference signal generated by the associated delay device 42, 52 or the gain of the delayed reference signal generated by the associated amplifier 44, 54.
  • the calibration factor is determined, for example, by changing it until the sound pressure or the phase of the sound detected by the microphone 60 corresponds to a predetermined desired value.
  • the fifth step 105, the sixth step 106, and the seventh step 107 are continuously performed simultaneously.
  • the fifth step 105, the sixth step 106, and the seventh step 107 may be performed successively or partially or completely simultaneously for all the sound generators 46, 56.
  • the fifth step 105, the sixth step 106, and the seventh step 107 may be performed simultaneously for a plurality of sound generators, respectively, if a corresponding plurality of microphones or other means for detecting sound pressure and / or phase of sound are provided.
  • the rotor disk 10 is removed from the mounting plate 90 in a purely translatory or helical motion to allow the microphone 60 to be positioned opposite the sound generator 46, 56 , Alternatively, the sound generator 46, 56 to be calibrated is moved, for example, on a rail radially outwards to a point outside the circumference of the rotor disk 10.
  • the rotor blades 14, 15 of the rotor disk 10 are excited by the sound generators 46, 56 with the same or different predetermined phase relationships to the reference signal.
  • a first rotor blade 14 having a first phase relationship to the reference signal defined at the second step 102 and a second rotor blade 15 having a second phase relationship to the reference signal defined at the second step 102 are excited.
  • Particularly realistic results are obtained if all rotor blades 14, 15 are excited simultaneously with predetermined phase relationships to the reference signal.
  • a resulting vibration of the rotor disk 10 is detected, for example by means of a scanning laser vibrometer 70.
  • the vibration of the rotor disk is detected in temporal relation to the reference signal.
  • This temporal reference is in particular that measured values are acquired at defined points in time, which have a fixed reference to the reference signal except for whole multiples of 2 ⁇ . Alternatively or additionally, the time is recorded for each measured value.
  • the above-described steps from the third step 103 to and including the tenth step 110 may successively for a plurality of different frequencies be repeated.
  • the calibration at the fifth step 105, sixth step 106, and seventh step 107 may be performed as shown in FIG. 6 before the eighth step 108, the ninth step 109, and the tenth step 110 and / or after.
  • the above-described steps from the third step 103 to and including the tenth step 110 are performed, for example, first at the frequency corresponding to the expected value of the natural frequency of the blades, and thereafter at frequencies farther from that expected value.
  • the natural frequencies of the rotor blades 14, 15 are determined.
  • the natural frequency of a rotor blade 14, 15 is determined in particular as the frequency at which there is a maximum of the oscillation amplitude of the rotor blade 14, 15.
  • the natural frequencies of all the blades are determined for a plurality of frequencies, these can be used as input variables for numerical simulations or calculations.
  • amplitude amplitudes for the stator or rotor disk are determined using the natural frequencies.
  • the behavior of an entire turbine, axial compressor, or other turbomachine containing the rotor disk may be determined using the natural frequencies.
  • the present invention has been presented predominantly on the basis of a rotor disk and the detection of its vibration behavior. However, it is also applicable to a stator disk, in particular an integrally bladed stator disk, and the detection of its vibration behavior.
  • the present invention is implementable as a method or computer program with program code for carrying out or controlling such a method when the computer program runs on a computer or a processor.
  • the invention as a computer program product with on a machine-readable carrier (for example, a ROM, PROM, EPROM, EEPROM or Flash memory, a CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blu-ray Disc, Floppy disk or hard disk) or firmware stored program code for performing one of said methods when the computer program product runs on a computer, computer or processor.
  • the present invention can be used as a digital storage medium (for example ROM, PROM, EPROM, EEPROM or flash memory, CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blu-ray Disc, floppy disk or hard disk) with electronically readable control signals, which may interact with a programmable computer or processor system to perform any of the described methods.
  • a digital storage medium for example ROM, PROM, EPROM, EEPROM or flash memory, CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blu-ray Disc, floppy disk or hard disk
  • electronically readable control signals for example ROM, PROM, EPROM, EEPROM or flash memory, CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blu-ray Disc, floppy disk or hard disk
  • the present invention may be implemented as a controller, wherein the controller is configured to execute one of the described methods, or wherein the controller comprises a computer program, a computer program product or a digital storage medium as described in the preceding paragraph were.
  • delay means of the second excitation means 54 amplifiers of the second excitation means

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Erfassen eines Schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten Stator- oder Rotorscheibe (10) werden eine erste Phasenbeziehung und eine zweite Phasenbeziehung definiert. Eine erste Schaufel (14) der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) wird mit der ersten vorbestimmten Phasenbeziehung zu einem Referenzsignal angeregt. Eine zweite Schaufel (15) der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) wird mit der zweiten vorbestimmten Phasenbeziehung zu dem Referenzsignal angeregt. Eine Schwingung der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) wird in zeitlichem Bezug zu dem Referenzsignal erfasst.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten Stator- oder Rotorscheibe
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen des Schwingungsverhaltens der einzelnen Schaufeln einer integral beschaufelten Stator- oder Rotorscheibe und/oder der gesamten integral beschaufelten Stator- oder Rotorscheibe für eine Verdichter- oder eine Turbinenstufe einer Gasturbine oder eines Turbinen- triebwerks für eine mobile oder stationäre Anwendung.
Rotorscheiben für Verdichter- oder Turbinenstufen von Gasturbinen oder Turbinentriebwerken für mobile oder stationäre Anwendungen wurden lange Zeit aus mehreren separat gefertigten Stücken gebaut. Insbesondere wurden die Rotorschaufeln formschlüssig mit einer Scheibe bzw. Nabe verbunden. Zunehmend werden jedoch integral beschaufelte
Rotorscheiben verwendet, zunächst in Verdichterstufen, dann in Niederdruckturbinen und nun auch in Hochdruckturbinen. Manchmal werden die Rotorschaufeln separat gefertigt und dann beispielsweise mittels eines Reibschweißverfahrens stoffschlüssig mit der Nabe verbunden. In ähnlicher Weise werden zunehmend auch Statorscheiben integral beschau- feit.
Im Gegensatz zu gebauten Stator- bzw. Rotorscheiben weisen integral beschaufelte Statorbzw. Rotorscheiben (engl.: bladed disks; kurz: Blisks) ein ausgeprägtes System- Eigenschwingungsverhalten auf. Da die Schaufeln einer integral beschaufelten Stator- bzw. Rotorscheibe nie völlig identische Eigenschaften aufweisen, unterscheiden sich ihre Eigenfrequenzen bei mechanischen Schwingungen geringfügig, typischerweise um wenige Prozent oder weniger. Diese leichte Streuung der Eigenfrequenzen von nicht ideal gleichen Stator- oder Rotorschaufeln wird auch als Mistuning bezeichnet. Aus dem geringfügig unterschiedlichen Schwingungsverhalten resultieren in Resonanzen stark unterschiedliche Schwingungsamplituden der einzelnen Schaufeln. Diese Amplitudenüberhöhungen, typischerweise um einen Faktor 2 bis 5, manchmal aber auch mehr, müssen quantitativ auf einem Prüfstand erfasst werden.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Angeregt werden Schwingungen einer Rotorscheibe unter Anderem dadurch, dass der Gasstrom, in dem sie rotieren, nicht homogen und nicht einmal perfekt axialsymmetrisch ist. Durch benachbarte Bauteile, insbesondere stromaufwärts oder stromabwärts der Rotor- scheibe angeordnete Statorschaufeln oder andere Einrichtungen wird der Gasstrom räumlich moduliert. Jede einzelne Schaufel der rotierenden Rotorscheibe ist deshalb variierenden, insbesondere oszillierenden Kräften ausgesetzt. Während einer vollen Umdrehung der Rotorscheibe sind alle Rotorschaufeln annähernd den gleichen, in gleicher Weise als Funktion der Zeit variierenden Kräften ausgesetzt, jedoch abhängig von ihrer Position an der Rotorscheibe zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Anders ausgedrückt sind die zeitabhängigen Kräfte auf die einzelnen Rotorschaufeln einer rotierenden Rotorscheibe gegeneinander phasenversetzt. Entsprechendes gilt für die Kräfte, die auf die einzelnen Statorschaufeln einer Statorscheibe wirken.
In der DE 868 674 ist eine Anregung von Schaufelschwingungen mittels eines Elektromagneten beschrieben. Die Schaufelschwingungen werden bei stroboskopischer Beleuchtung beobachtet.
In der DE 10 2005 042 820 Al ist eine Messung von Schwingungsverteilungen an einem Gasturbinenbauteil mittels eines Vibrometers beschrieben.
In der DE 10 2006 048 791 Al ist eine Anregung mechanischer Schwingungen eines Prüfobjekts beschrieben. Die Schwingungen des Prüfobjekts werden erfasst und mit zuvor erfassten Schwingungen verglichen, um gegebenenfalls eine Schädigung des Prüfobjekts festzustellen.
In der US 2002/0083772 Al (später veröffentlicht als US 6,679,121 B2) ist eine Anregung von Schwingungen von Schaufeln einer rotierenden Rotorscheibe mittels eines Flüssigkeitsstrahls beschrieben.
Der Artikel "Travelling-wave excitation and optical measurement techniques for non- contacting investigation of bladed disk dynamics" von J.A. Judge et al. beschreibt eine akustische Anregung der Schaufeln einer integral beschaufelten Rotorscheibe mittels je eines Lautsprechers. Die einzelnen Lautsprecher werden mit dem gleichen, jedoch um unterschiedliche Phasen verzögerten Signal angesteuert. Dadurch wird die Anregung der Rotorschaufeln einer rotierenden Rotorscheibe durch ihre Begegnungen mit benachbarten 5 Statorschaufeln oder anderen ruhenden Bauteilen simuliert. Resultierende Schwingungen der Rotorscheibe werden punktuell quantitativ mittels Einzelpunkt- Laser- Vibrometrie (engl.: Single-Point Laser Vibrometry, SPLV) oder großflächig qualitativ mittels Speckle- Interferometrie (engl.: Speckle Pattern Interferometry) erfasst.
o Die WO 2000/003197 (in deutscher Sprache veröffentlicht als DE 699 34 474 T2) beschreibt eine Anregung einer von einer Vibrationserregungsquelle erzeugten Welle und eine Abbildung der sich an einer diffus reflektierenden Oberfläche ausbreitenden Welle mittels einer Referenz- Wellenfront, die synchron zu der Vibrationserregungsquelle moduliert ist. 5
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Computer-Programm zum Bestimmen eines Schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten Stator- bzw. Rotorscheibe zu schaffen.
o Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Verschiedene Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Idee, 5 Schaufeln einer Stator- oder Rotorscheibe mit verschiedenen oder auch gleichen vorbestimmten Phasenbeziehungen relativ zu einem Referenzsignal anzuregen und eine resultierende Schwingung der Stator- bzw. Rotorscheibe in zeitlichem Bezug zu dem Referenzsignal zu erfassen. Der zeitliche Bezug der Erfassung der Schwingung zu dem Referenzsignal wird beispielsweise dadurch hergestellt, dass diskrete Zeitpunkte, zu denen Messwerte o erfasst werden, eine oder mehrere vorbestimmte Phasenbeziehungen (mod 2π) zu dem
Referenzsignal haben. Vor dem Anregen und Erfassen von Schwingungen kann eine Schwingungsmode ausgewählt werden, bei der beispielsweise aufgrund der vorgesehenen Einbausituation in einer Strömungsmaschine die durch Mistuning hervorgerufenen Amplitudenüberhöhungen interessieren. Den einzelnen Schaufeln zugeordnete Phasenbeziehungen werden dann insbesondere so definiert bzw. ausgewählt, dass die ausgewählte Schwingungsmode bei den definierten Phasenbeziehungen im Wesentlichen eine reine Schaufelschwingungsmode ist und nicht oder nicht wesentlich den Charakter einer Scheibenschwingungsmode aufweist.
Als Maß dafür, ob im Wesentlichen eine reine Schaufelschwingungsmode vorliegt bzw. wie stark die Kopplung der Schaufeln untereinander ist, kann beispielsweise die Verteilung der Schwingungsenergie in der Stator- oder Rotorscheibe herangezogen werden. Alternativ werden die Phasenbeziehungen so ausgewählt, dass Ableitungen der Eigenfrequenzen nach den Phasenbeziehungen einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreiten.
Die Phasenbeziehungen werden insbesondere so definiert, dass für alle Paare benachbarter Schaufeln die Differenzen der zugeordneten Phasenbeziehungen gleich sind. Die Phasenbeziehungen sind dann (mod 2π) eindeutig durch die Anzahl der Knotendurchmesser bzw. durch die Anzahl der Knoten der räumlich harmonischen Anregung gegeben.
Insbesondere wenn eine gerade Anzahl von Schaufeln gleichmäßig am Umfang der Statoroder Rotorscheibe verteilt ist, können benachbarte Schaufeln mit entgegengesetzter Phase bzw. mit einer Phasendifferenz von π (Pi; entsprechend 180 Grad) angeregt werden. Anders ausgedrückt werden die Schaufeln in zwei Gruppen eingeteilt, die mit entgegengesetz- ter Phase angeregt werden, wobei die Schaufeln in ihrer kreisförmigen Anordnung alternierend der einen und der anderen Gruppe angehören.
Bei einer ungeraden Anzahl von Schaufeln, die gleichmäßig am Umfang der Stator- bzw. Rotorscheibe verteilt sind, können nicht alle Paare jeweils unmittelbar benachbarter Schau- fein gegenphasig angeregt werden. Näherungsweise können jedoch zumindest einige Schaufeln gegenphasig angeregt werden. Dabei werden die Schaufeln in zwei Gruppen eingeteilt, die mit entgegengesetzter Phase angeregt werden, wobei fast alle benachbarten Schaufeln alternierend der einen Gruppe und der anderen Gruppe angehören. Zumindest ein Paar nächst benachbarter Schaufeln muss der gleichen Gruppe angehören. Die Schaufeln der Stator- bzw. Rotorscheibe werden mit unterschiedlichen Amplituden angeregt. Die Amplitude der Anregung steigt von einem minimalen Wert (insbesondere Null) bei dem 5 Paar nächst benachbarter Schaufeln, die der gleichen Gruppe angehören, monoton oder streng monoton bis zu einem maximalen Wert bei der dem Paar gegenüberliegenden Schaufel an.
Mit der vorgeschlagenen Anregung bei Phasenbeziehungen, bei denen eine Kopplung o zwischen den Schaufeln gering ist bzw. im Wesentlichen reine Schaufelschwingungsmoden angeregt werden, können die Eigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln in deren Schaufelschwingungsmoden erstaunlich genau bestimmt werden. Überraschend wurde festgestellt, dass in vielen Fällen insbesondere bei gegenphasiger Anregung benachbarter Schaufeln eine erstaunlich genaue Bestimmung der Eigenfrequenzen bzw. Resonanzfre-5 quenzen der einzelnen Schaufeln möglich ist. Dazu werden die Schaufeln nacheinander mit einer Reihe von Frequenzen innerhalb eines vorbestimmten Frequenzintervalls angeregt. Aus den erfassten Schwingungen der Schaufeln bei den verschiedenen Frequenzen kann die Eigen- bzw. Resonanzfrequenz jeder einzelnen Schaufel bestimmt werden.
o Die beschriebene Anregung benachbarter Schaufeln kann unabhängig davon vorteilhaft sein, ob die Schaufeln gleichmäßig bzw. äquidistant bzw. mit gleichen Winkelabständen an der Stator- oder Rotorscheibe angeordnet sind. Es geht bei dem hier beschriebenen Verfahren, insbesondere der hier beschriebenen Anregung nicht mehr primär um die Simulation einer in einer realen Strömungsmaschine bei realen Betriebsbedingungen auftretenden 5 Anregung, sondern zunächst um die Bestimmung der Eigenfrequenzen der einzelnen
Schaufeln.
Herkömmlich wurden Eigenfrequenzen einzelner Schaufeln beispielsweise mittels eines Impulshammers bestimmt. Dabei wurden jedoch in der Regel alle Schaufeln bis auf die o eine mittels Impulshammer angeregte gedämpft oder verstimmt, um ihren Einfluss auf die interessierende Schaufel zu verringern. Diese Dämpfung oder Verstimmung stellt aber einen Eingriff in das schwingfähige System dar, der die Messergebnisse verfalschen kann und vor allem einen hohen, überwiegen manuell zu erbringenden und nur schwer automatisierbaren Arbeitsaufwand hervorruft. Der hohe Arbeitsaufwand für das Dämpfen bzw. Verstimmen der Schaufeln hat eine sehr lange Verfahrensdauer zur Folge, die hohe Kosten verursacht. Mit dem hier beschriebenen Verfahren können diese Nachteile weitgehend 5 vermieden werden.
Die Schaufeln können nacheinander mit Frequenzen angeregt werden, deren Abstände zum Erwartungswert der Eigenfrequenz einzelner Schaufeln ansteigen. Der Erwartungswert ist beispielsweise aus einer numerischen Simulation oder aus einer vorausgehenden Messung0 an der gleichen oder einer ähnlichen Stator- oder Rotorscheibe bekannt.
Indem zunächst mit Frequenzen angeregt wird, die nahe bei dem Erwartungswert der Eigenfrequenz liegen, und dann mit Frequenzen, deren Abstand von dem Erwartungswert zunimmt, muss in vielen Fällen insgesamt mit einer besonders geringen Anzahl von Fre-5 quenzen angeregt werden. Das Verfahren kann deshalb besonders schnell durchgeführt werden.
Wie bereits erwähnt, können anhand der bei Anregung mit verschiedenen Frequenzen erfassten Schwingungen der Stator- bzw. Rotorscheibe die Eigenfrequenzen der Schaufeln o bestimmt werden. Die sich aus den nicht völlig identischen Eigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln ergebenden Amplitudenüberhöhungen der Schaufeln können numerisch aus den Eigenfrequenzen bestimmt werden. Danach können die Amplitudenüberhöhungen als Eingangsgrößen für numerische Simulationen einer ganzen Turbine, eines Axialverdichters oder einer anderen Strömungsmaschine, deren Bestandteil die Stator- bzw. Rotorscheibe 5 ist, verwendet werden.
Die Schwingung wird beispielsweise Laser-vibrometrisch erfasst, wobei nacheinander - oder bei Verwendung mehrerer Laser- Vibrometer gleichzeitig oder teilweise gleichzeitig - die Schwingung an einer Mehrzahl vorbestimmter Punkte bzw. Orte an der Stator- bzw. o Rotorscheibe erfasst wird. Dazu kann ein scannendes Laser- Vibrometer verwendet werden, wie es beispielsweise von der Firma Polytec in einigen Varianten angeboten wird. Jede Schaufel kann durch einen zugeordneten Schallerzeuger angeregt werden, der mit der Schaufel über Luft oder ein anderes Fluid gekoppelt ist.
Um sicherzustellen, dass alle Schaufeln mit der gleichen Amplitude und möglichst genau mit der jeweils vorbestimmten Phasenbeziehung angeregt werden, können die Schallerzeuger und deren vorgeschaltete Einrichtungen kalibriert werden. Dazu wird zunächst ein Mikrofon in eine definierte räumliche Anordnung relativ zu einem zu kalibrierenden Schallerzeuger gebracht. Unter einem Mikrofon ist hier und im Folgenden jede Einrichtung zum Erfassen eines Schalldrucks und/oder einer Phase von Schall zu verstehen. Der Schallerzeuger wird angesteuert, um Schall zu erzeugen, der von dem Mikrofon erfasst wird. Anhand eines Vergleichs von Ist- und Soll- Werten wird der Schalldruck und/oder die Phase des vom Schallerzeuger erzeugten Schalls kalibriert. Eine solche Kalibrierung kann automatisch erfolgen. Bei einem Kalibriervorgang kann jeder Schallerzeuger für mehrere Frequenzen kalibriert werden. Die so gewonnenen Kalibrierfaktoren werden beispielsweise in Form eines Arrays gespeichert. Alternativ oder zusätzlich kann jeder Schallerzeuger vor und/oder nach Verwendung einer bestimmten Frequenz für diese kalibriert werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können je nach Anwendung eine Reihe von Vorteilen aufweisen. Insbesondere wird eine schnelle und teilweise oder vollständig automatisierte Bestimmung der Amplitudenüberhöhung für einen großen Frequenzbereich und zahlreiche Phasenkonfigurationen ermöglicht oder vereinfacht. Durch die Erfassung der Schwingung in zeitlichem Bezug zu dem Referenzsignal, zu dem die Anregungen der Stator- bzw. Rotorschaufeln in vorbestimmten Phasenbeziehungen stehen, können auch bei einer sequenziellen Abtastung vieler Messpunkte Phasenbeziehungen zwischen den Schwingungen an den einzelnen Messpunkten erfasst werden. Damit ist nicht nur lokal, sondern für die gesamte Stator- bzw. Rotorscheibe eine quantitative und nicht nur qualitative Analyse des Schwingungsverhaltens möglich. Die auch in einen automatisierten Ablauf integrierbare Kalibrierung ermöglicht eine präzise Anregung und damit eine hohe Genauigkeit der Messergebnisse. Kurzbeschreibung der Figuren
Nachfolgend werden Ausfuhrungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erfassen eines
Schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten Rotorscheibe;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Aufspannplatte;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Anregung einer Stator- oder Rotorscheibe mit einer geraden Anzahl von Schaufeln;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Anregung einer Stator- oder Rotor- scheibe mit einer ungeraden Anzahl von Schaufeln;
Figur 5 ein schematisches Knotendurchmesser-Diagramm; und
Figur 6 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Schwingungsverhaltens.
Beschreibung der Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer integral beschaufelten Rotorscheibe 10 mit einer Mehrzahl von Rotorschaufeln 14, 15 und einer Vorrichtung 20 zum Erfassen eines Schwingungsverhaltens der Rotorscheibe 10. Die Umrisse der Rotorscheibe 10 sind mit einer unterbrochenen Linie dargestellt, da sie nicht Bestandteil der Vorrichtung 20 ist. Der Durchmesser der Rotorscheibe 10 sowie die Anzahl, Form und Größe der einzelnen Rotorschaufeln 14, 15 sind beliebig und können von der Darstellung in Figur 1 deutlich abweichen. Die Vorrichtung 20 umfasst eine Referenzsignaleinrichtung 30 zum Empfangen oder Erzeugen eines Referenzsignals mit einer vorbestimmten Frequenz. Ferner umfasst die Vorrichtung 20 mehrere Anregungseinrichtungen 40, 50, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 1 nur zwei dargestellt sind. Eine erste Anregungseinrichtung 40 ist einer ersten Rotorschaufel 14 zugeordnet, eine zweite Anregungseinrichtung 50 ist einer zweiten Rotorschaufel 15 zugeordnet. Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Anregungseinrichtungen 40, 50 der Anzahl der Rotorschaufeln 14, 15 der zu untersuchenden Rotorscheibe 10 entspricht und jeder Rotorschaufel 14, 15 eine Anregungseinrichtung 40, 50 zugeordnet ist. Dabei sind beispielsweise alle Anregungseinrich- tungen 40, 50 so weit wie möglich gleich.
Jede Anregungseinrichtung 40, 50 umfasst eine Verzögerungseinrichtung 42, 52, deren Eingang mit einem Signalausgang der Referenzsignaleinrichtung 30 gekoppelt ist, um ein Referenzsignal von der Referenzsignaleinrichtung 30 zu empfangen. Ein Ausgang der Verzögerungseinrichtung 42, 52 ist mit einem Eingang eines Verstärkers 44, 54 gekoppelt. Ein Ausgang des Verstärkers 44, 54 ist mit einem Schallerzeuger 46, 56 gekoppelt. Jeder Schallerzeuger 46, 56 kann wie in Figur 1 angedeutet kreisförmig sein oder eine andere Gestalt ausweisen. Jeder Schallerzeuger ist beispielsweise ein elektrodynamischer, elektrostatischer, magnetostatischer, elektromagnetischer oder ferroelekrischer Lautsprecher, ein Plasmahochtöner oder ein anderer elektroakustischer Wandler zur Erzeugung von Schall oder Ultraschall. Träger, Halterungen oder andere Einrichtungen zum Halten der Schallerzeuger 46, 56 sind in Figur 1 nicht dargestellt. Ein Beispiel wird jedoch unten mit Bezug auf Figur 2 dargestellt.
Ferner umfasst die Vorrichtung 20 ein Mikrofon 60 oder eine andere Einrichtung zum
Erfassen eines Schalldrucks und/oder einer Phase von Schall. Das Mikrofon 60 ist ausgebildet, um an jeden Schallerzeuger 46, 56 herangefahren zu werden bzw. in einer vorbestimmten räumlichen Anordnung relativ zu einem beliebigen Schallerzeuger 46, 56 angeordnet zu werden. Anstelle eines Mikrofons 60 können mehrere Mikrofone vorgesehen sein, die in der Regel zumindest relativ zueinander kalibriert sein sollten. Die Vorrichtung 20 umfasst ferner ein scannendes Laser- Vibrometer 70 oder eine andere Einrichtung zum Erfassen des Schwingens der Rotorscheibe 10 an mehreren Messpunkten 71, 72. Im Fall eines Laser- Vibrometers wird ein Laserstrahl 78 nacheinander auf die Messpunkte 71, 72 gerichtet. Die Anzahl und die Anordnung der Messpunkte 71, 72 kann nahezu beliebig an die Rotorscheibe 10 und das zu untersuchende Schwingungsverhalten angepasst werden. Zur Beschleunigung des Messvorgangs können ferner mehrere Vibrometer 70 gleichzeitig verwendet werden. Ein Signaleingang des Vibrometers 70 ist mit dem Referenzsignalausgang der Referenzsignaleinrichtung 30 gekoppelt. Obwohl das Vibrometer 70 in Figur 1 neben der Rotorscheibe 10 dargestellt ist, ist eine Anordnung nahe der Achse der Rotorscheibe 10 in vielen Fällen optimal. Die in Figur 1 separat dargestellte Referenzsignaleinrichtung 30 kann Bestandteil des Vibrometers 70 sein.
Die Vorrichtung 20 umfasst ferner eine Steuerung 80 mit einem Prozessor 82 und einem Speicher 84. Die Steuerung 80 ist mit der Referenzsignaleinrichtung 30, den Verzöge- rungseinrichtungen 42, 52 und den Verstärkern 44, 54 der Anregungseinrichtungen 40, 50, dem Vibrometer 70 und optional auch dem Mikrofon 60 gekoppelt. In dem Speicher 84 oder mehreren Speichern der Steuerung 80 können ein Betriebssystem und/oder ein Computer-Programm (in Form von Software oder Firmware) zum Ablauf auf dem Prozessor 82 sowie Parameter eines Messprogramms, wie es nachfolgend anhand der Figur 6 dargestellt ist, und Kalibrierfaktoren abgelegt werden. Zu den Parametern zählen beispielsweise Amplituden, Frequenzen und Phasenbeziehungen bzw. Intervalle von Frequenzen oder Phasenbeziehungen und Schrittweiten, mit denen diese verändert werden sollen. Kalibrierfaktoren für Schalldruck und/oder Phase können beispielsweise in Form eines Arrays für alle Schallerzeuger 46, 56 und mehrere Frequenzen abgelegt werden.
Die Steuerung 80 ist ausgebildet, um die Referenzsignaleinrichtung 30, die Verzögerungseinrichtungen 42, 52, die Verstärker 44, 54 und das Vibrometer 60 zu steuern. Insbesondere ist die Steuerung 80 ausgebildet, um der Referenzsignaleinrichtung 30 eine Frequenz für ein Referenzsignal vorzugeben, um durch die Verzögerungseinrichtungen 42, 52 zu erzeu- gende Verzögerungen bzw. Phasenbeziehungen vorzugeben, um durch die Verstärker 44,
54 zu erzeugende Verstärkungsfaktoren einzustellen, und um Messpunkte 71, 72 und andere Parameter an das Vibrometer 70 zu übertragen. Ferner kann die Steuerung 80 aus- gebildet sein, um Messsignale oder Messdaten von dem Mikrofon 60 und von dem Vibro- meter 70 zu empfangen.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Schnitts durch Rotor- schaufeln 14, 15 einer Rotorscheibe, eine Aufspannplatte 90 und Schallerzeuger 46, 56. Der dargestellte Schnitt ist ein Schnitt entlang einer kreiszylindrischen Fläche parallel zur Achse einer Rotorscheiben, deren Bestandteile die Rotorschaufeln 14, 15 sind. Die Aufspannplatte 90 weist mehrere Halterungen 92 auf, an denen jeweils ein Schallerzeuger 46, 56 angeordnet ist. Die Gestalt der einzelnen Halterungen 92 ist an die Rotorschaufeln 14, 15 und deren Zwischenräume angepasst. Die Aufspannplatte 90 mit den Halterungen 92 ist möglichst steif und/oder mit Schwingungsabsorbern ausgebildet, um bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren in möglichst geringem Maß selbst zu schwingen.
Die oben anhand der Figuren 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 20 kann modular aufgebaut sein, damit beispielsweise die Anzahl der Anregungseinrichtungen 40, 50 und die Anordnung der Schallerzeuger 46, 56 verändert und an verschiedene Rotorscheiben 10 angepasst werden können. Die Anordnung und räumliche Orientierung der Schallerzeuger 46, 56 kann beispielsweise manuell oder servomotorisch veränderbar sein. Eine radiale Verschiebbarkeit der einzelnen Schallerzeuger, beispielsweise auf Schienen, kann ferner bei der im Rahmen des nachfolgend beschriebenen Verfahrens durchgeführten Kalibrierung vorteilhaft sein.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anregung einer Stator- oder Rotorscheibe mit einer geraden Anzahl von Schaufeln. Lediglich die Schallerzeuger 46, 56 und die Amplituden 47, 57 der Anregung durch die Schallerzeuger 46, 56 sind dargestellt. Die
Schaufeln selbst sind in Figur 3 im Sinne der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Sie liegen den Schallerzeugern beispielsweise wie oben anhand der Figur 2 dargestellt gegenüber. Die dargestellten Amplituden 47, 57 der Anregung sind nicht mit den Amplituden der durch die Anregung hervorgerufenen Schwingungen der Schaufeln zu verwechseln.
Die Darstellung in Figur 3 ist angedeutet axonometrisch, dies ist insbesondere an den elliptischen Darstellungen der einzelnen Schallerzeuger und des Kreises, an dem die Schallerzeuger 46, 56 angeordnet sind, erkennbar. Die Darstellung der Amplituden 47, 57 als gerade Striche senkrecht zu den Schallerzeugern 46, 56 deutet an, dass das Maximum des von einem Schallerzeuger 46, 56 erzeugten Schalldrucks in diese Richtung abgestrahlt wird. Tatsächlich müssen die Schallerzeuger aber abweichend von der Darstellung in Figur 3 nicht in einer Ebene angeordnet sein. Wie bei dem oben anhand der Figur 2 dargestellten Beispiel sind die Schallerzeuger stattdessen insbesondere im Wesentlichen parallel zur jeweils zugeordneten Schaufel angeordnet.
Ausgehend von der durch die Positionen der Schallerzeuger 46, 56 definierten Ebene gehen die Striche, welche die Amplituden 47, 57 darstellen, abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen. Dies deutet an, dass benachbarte Schallerzeuger die zugeordneten Schaufeln jeweils mit entgegengesetzter Phase anregen.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Anregung einer Stator- oder Rotorschei- be mit einer ungeraden Anzahl von Schaufeln. Die Darstellung ähnelt der in Figur 3. Insbesondere sind lediglich die Schallerzeuger 46, 56, 96, 97 und die Amplituden 47, 57 der Anregung durch die Schallerzeuger 46, 56 dargestellt.
Wie bei dem oben anhand der Figur 3 dargestellten Beispiel regen benachbarte Schaller- zeuger 46, 56, 96, 97 mit entgegengesetzter Phase an. Allerdings sind die Amplituden 47, 57 der Anregung nicht bei allen Schallerzeugern 46, 56, 96, 97 gleich. Die Amplitude ist bei einem Schallerzeuger 46 maximal und bei zwei gegenüberliegenden Schallerzeugern 96, 97 minimal oder Null.
Bei N Schallerzeugern 46, 56, 96, 97 zur Anregung von N Schaufeln ist der Betrag |An| der Amplitude An am n-ten Schallerzeuger 46, 56, 96, 97 beispielsweise An = Amax(l+cos(2π(n-l)/N))/2, wobei Amax die maximale Amplitude der Anregung ist, und wobei die Schallerzeuger 46, 56, 96, 97 in der Reihenfolge ihrer Anordnung von n=l bis n=N durchnummeriert sind. Dabei liegt die maximale Amplitude Amax am Schallerzeuger n=l an. Alternativ ist eine abschnittsweise affin-lineare oder jede andere Abhängigkeit der Amplitude An von n möglich. Die anhand der Figur 4 dargestellte Anregung ist insbesondere zur Bestimmung der Eigenbzw. Resonanzfrequenz der Schaufel geeignet, die von dem Schallerzeuger 46 mit der maximalen Amplitude angeregt wird, da Schaufeln in der Umgebung dieser Schaufel 46 mit alternierenden Phasen angeregt werden. Um die Eigenfrequenzen aller Schaufeln zu bestimmen, werden bei unveränderter Frequenz die Amplituden von Schallerzeuger 46, 47, 96, 97 zu Schallerzeuger weitergeschoben. Beispielsweise betragen die Amplituden An im Zeitintervall i An=Amax(l+cos(2π(n+i-l)/N))/2. Auch eine kontinuierliche Veränderung der Amplituden ist möglich.
Figur 5 zeigt ein schematisches Knotendurchmesser-Diagramm, in dem die Eigenfrequenzen mehrerer verschiedener Moden einer modellhaften integral beschaufelten Rotorscheibe mit 8 Rotorschaufeln als Funktionen der Anzahl der Knotendurchmesser dargestellt sind. Der Abszisse ist die Anzahl der Knotendurchmesser (engl.: number of nodal diameters) zugeordnet, der Ordinate die Frequenz, insbesondere die Eigenfrequenz (engl.: natural frequency), in kHz. Da die Eigenfrequenzen Ergebnis einer numerischen Simulation sind, liegen sie auch für nicht-ganzzahlige Knotendurchmesser vor.
Für jede Anzahl Knotendurchmesser wurde für jede der dargestellten Moden auch bestimmt, ob die Mode überwiegend eine Schaufelschwingungsmode oder eine Scheiben- schwingungsmode ist. Schaufelschwingungsmoden und Scheibenschwingungsmoden werden beispielsweise nach der Verteilung der Schwingungsenergie innerhalb der Rotorscheibe oder dem Maß des Energieaustauschs zwischen Rotorschaufeln unterschieden. Eine Schwingungsmode wird beispielsweise als Schaufelschwingungsmode bezeichnet, wenn der Anteil der Schwingungsenergie, der den Schaufeln zuzuordnen ist, einen vorbe- stimmten Schwellenwert überschreitet oder nicht unterschreitet. Andernfalls wird die Schwingungsmode als Scheibenschwingungsmode bezeichnet. Alternativ wird eine Schwingungsmode als Schaufelschwingungsmode bezeichnet, wenn der Energieaustausch zwischen Rotorschaufeln eine vorbestimmte Schwelle nicht überschreitet, andernfalls als Scheibenschwingungsmode.
In Figur 5 sind Eigenfrequenzen einer Schwingungsmode als kleine Quadrate dargestellt, wenn die Schwingungsmode bei der entsprechenden Anzahl von Knotendurchmessern eine Schaufelschwingungsmode ist. Wenn die Schwingungsmode bei der entsprechenden Anzahl von Knotendurchmessem eine Scheibenschwingungsmode ist, ist die zugehörige Eigenfrequenz als kleines Kreuz dargestellt. Es ist erkennbar, dass jede der dargestellten Schwingungsmoden bei allen oder einem Teil der dargestellten Werte der Anzahl der 5 Knotendurchmessem bei den gegebenen Unterscheidungskriterien Schaufelschwingungsmode ist. Dort, wo die Schwingungsmoden Schaufelschwingungsmoden sind, sind ihre Eigenfrequenzen in vielen Fällen weitgehend unabhängig von der Anzahl der Knotendurchmesser. Anders ausgedrückt ist die Ableitung der Eigenfrequenz nach der Anzahl der Knotendurchmesser klein. 0
Die meisten der dargestellten Schwingungsmoden sind in einem Intervall von Werten der Anzahl der Knotendurchmesser nicht überwiegend Schaufelschwingungsmoden, sondern Scheibenschwingungsmoden. In einem solchen Intervall ist die Eigenfrequenz in vielen Fällen deutlich von der Anzahl der Knotendurchmesser abhängig. Anders ausgedrückt ist 5 die Ableitung der Eigenfrequenz nach der Anzahl der Knotendurchmesser groß. Im dargestellten Knotendurchmesser-Diagramm können Schaufelschwingungsmoden und Scheibenschwingungsmoden deshalb auch anhand es lokalen Werts der Ableitung der Eigenfrequenz nach der Anzahl der Knotendurchmesser unterschieden werden. Wenn der Betrag der Ableitung einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, liegt eine Schaufel- o schwingungsmode vor, andernfalls eine Scheibenschwingungsmode.
Wenn alle Schaufeln identische mechanische Eigenschaften aufweisen, weisen alle Schaufeln identische Eigenfrequenzen auf. Dieser in der Realität nie ideal erreichte Zustand wird auch als getunter Zustand bezeichnet. Unterschiedliche mechanische Eigenschaften der 5 einzelnen Schaufeln haben unterschiedliche Resonanzfrequenzen zur Folge. Dies wird auch als Mistuning bezeichnet. Wie bereits erwähnt kann diese Streuung der Resonanzfrequenzen zu einer Konzentration von Schwingungsenergie an einer einzigen oder mehreren Schaufeln und dort zu stark erhöhten Schwingungsamplituden führen. Diese Amplitudenüberhöhung wirkt sich auf die Lebensdauer der Schaufeln aus und muss bei der Auslegung o einer Stator- oder Rotorscheibe, insbesondere der Stator- bzw. Rotorschaufeln, berücksichtigt werden. Die bei der gleichen Schaufelschwingungsmode aufgrund unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften unterschiedlichen Eigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln bei der gleichen Schwingungsmode können sich unterschiedlich stark unterscheiden. Je stärker die Kopplung zwischen verschiedenen Schaufeln ist bzw. je mehr eine Schwingungsmode den Charakter einer Scheibenschwingungsmode hat, desto weniger unterscheiden sich in der Regel die Eigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln. Umgekehrt unterscheiden sich die Eigenfrequenzen einzelner Schaufeln in der Regel bei der Anzahl an Knotendurchmessern am deutlichsten, bei der die Schwingungsmode am ausgeprägtesten Schaufelschwingungsmode ist.
Deshalb kann es für eine Erfassung der sich geringfügig unterscheidenden Eigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln vorteilhaft sein, die Stator- bzw. Rotorscheibe bei einer Anzahl von Knotendurchmessern anzuregen, bei der die Schwingungsmode möglichst ausgeprägt Schaufelschwingungsmode ist.
Figur 6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten Rotorscheibe oder eines ähnlichen Bauteils eines Verdichters, einer Turbine oder eines anderen Bestandteils einer Gasturbine bzw. eines Turbinentriebwerks. Obwohl dieses Verfahren auch mit anderen als den oben anhand der Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen und Einrichtungen ausführbar ist, werden nachfolgend beispielhaft Bezugszeichen aus den Figuren 1 und 2 verwendet, um die Verständlichkeit des Textes zu verbessern.
Bei einem ersten Schritt 101 wird eine Schwingungsmode ausgewählt, insbesondere eine Schaufelschwingungsmode, für welche die aus den nicht ideal identischen Eigenschaften der Schaufeln 14, 15 resultierende Amplitudenüberhöhung bestimmt werden soll. Als Schaufelschwingungsmoden werden beispielsweise Schwingungsmoden einer Rotorscheibe 10 bezeichnet, bei denen die Schwingungsenergie (oszillierend zwischen elastischer Energie und kinetischer Energie) im Wesentlichen bei den einzelnen Rotorschaufeln 14, 15 lokalisiert sind. Damit einher geht eine geringe Kopplung bzw. ein geringer Energieübertrag zwischen den einzelnen Rotorschaufeln 14, 15. Als Scheibenschwingungsmoden werden Schwingungsmoden bezeichnet, bei denen ein wesentlicher Anteil der Schwin- gungsenergie in der Rotorscheibe zwischen den Rotorschaufeln 14, 15 lokalisiert ist. In einer Scheibenschwingungsmode sind die einzelnen Rotorschaufeln 14, 15 stark mit einander gekoppelt, und es ist ein Energieaustausch zwischen den einzelnen Rotorschaufeln 14, 15 möglich.
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Wie bereits angedeutet können Schaufelschwingungsmoden und Scheibenschwingungsmoden mittels eines quantitativen Kriteriums unterschieden werden. Beispielsweise wird der Anteil der Rotorschaufeln 14, 15 an der gesamten Schwingungsenergie (oszillierend elastische und kinetische Energie) der Rotorscheibe 10 betrachtet. Dazu können Grenzen l o der Rotorschaufeln 14, 15 definiert werden, beispielsweise die inneren Ränder der Blätter. Dieser Anteil der Rotorschaufeln 14, 15 an der Schwingungsenergie wird mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Wenn bei einer betrachteten Schwingungsmode der Anteil der Rotorschaufeln 14, 15 an der Schwingungsenergie den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird die Schwingungsmode als Schaufelschwingungsmode bezeich-
15 net, andernfalls als Scheibenschwingungsmode.
Alternativ wird (beispielsweise in einer numerischen Simulation) der Energiefluss bzw. die energetische Kopplung zwischen einzelnen Rotorschaufeln 14, 15 bestimmt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Wenn bei einer betrachteten Schwingungsmode 20 der Energiefluss den vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, wird die Schwingungsmode als Schaufelschwingungsmode bezeichnet, andernfalls als Scheibenschwingungsmode.
Bei einem zweiten Schritt 102 werden Phasenbeziehungen definiert. Insbesondere wird für 25 jede Rotorschaufel 14, 15 der zu untersuchenden Rotorscheibe 10 eine Phasenbeziehung definiert. Die Frequenz und die Phasenbeziehungen ergeben sich aus der Anzahl der Rotorschaufeln 14, 15 der Rotorscheibe 10, aus der Anzahl und der Anordnung der Statorschaufeln oder anderen Einrichtungen, die bei einer vorgesehenen Verwendung der Rotorscheibe 10 in deren Nähe, insbesondere stromaufwärts, angeordnet sind, sowie aus einer 30 fiktiven Drehzahl der Rotorscheibe 10. Alternativ werden die Phasenbeziehungen unabhängig von der vorgesehenen Einbausituation der Rotorscheibe in einer Strömungsmaschine so gewählt, dass eine Kopplung zwischen den einzelnen Rotorschaufeln 14, 15 einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, bzw. dass die beim ersten Schritt 101 ausgewählte Schwingungsmode bei Anwendung der beschriebenen Kriterien eine Schaufelschwingungsmode und nicht eine Scheibenschwingungsmode ist. In vielen aber nicht unbedingt allen Fällen werden dazu geeignete Phasenbeziehungen so sein, dass benachbarte Rotorschaufeln 14, 15 jeweils mit entgegengesetzter Phase bzw. mit einer Phasendifferenz von π bzw. 180 Grad angeregt werden.
Bei einem dritten Schritt 103 wird eine Frequenz definiert, bei der das Schwingungsverhalten der Rotorscheibe 10 erfasst werden soll. Insbesondere wird ein Erwartungswert der Eigenfrequenz der beim ersten Schritt 101 ausgewählten Schwingungsmode bestimmt, beispielsweise anhand einer numerischen Simulation der Rotorscheibe 10 oder anhand bereits durchgeführter Messungen an der Rotorscheibe 10 oder einer Rotorscheibe des gleichen Typs.
Bei einem vierten Schritt 104 wird ein Referenzsignal mit der beim dritten Schritt 103 definierten Frequenz erzeugt, beispielsweise von einer Referenzsignaleinrichtung 30.
Bei einem fünften Schritt 105 wird von einem Schallerzeuger 46, 56 Schall entsprechend dem Referenzsignal, insbesondere mit der beim ersten Schritt 101 definierten Frequenz erzeugt. Bei einem sechsten Schritt 106 wird dieser Schall von einem Mikrofon 60 oder einer anderen Einrichtung zum Erfassen eines Schalldrucks und/oder einer Phase von Schall erfasst. Bei einem siebten Schritt 107 wird ein Kalibrierfaktor für den Schalldruck oder die Phase bestimmt. Der Kalibrierfaktor geht beispielsweise in die von der zugeordneten Verzögerungseinrichtung 42, 52 erzeugte Verzögerung des Referenzsignals oder in die von dem zugeordneten Verstärker 44, 54 erzeugte Verstärkung des verzögerten Referenzsignals ein. Der Kalibrierfaktor wird beispielsweise bestimmt, indem er so lange verändert wird, bis der Schalldruck bzw. die Phase des vom Mikrofon 60 erfassten Schalls einem vorbestimmten Soll-Wert entspricht. In diesem Fall werden der fünfte Schritt 105, der sechste Schritt 106 und der siebte Schritt 107 kontinuierlich gleichzeitig ausgeführt. Der fünfte Schritt 105, der sechste Schritt 106 und der siebte Schritt 107 können nacheinander oder teilweise oder vollständig gleichzeitig für alle Schallerzeuger 46, 56 ausgeführt werden. Der fünfte Schritt 105, der sechste Schritt 106 und der siebte Schritt 107 können für jeweils mehrere Schallerzeuger gleichzeitig ausgeführt werden, wenn eine entsprechende Mehrzahl von Mikrofonen oder anderen Einrichtungen zum Erfassen von Schalldruck und/oder Phase von Schall vorgesehen sind. Zum Ausführen des fünften Schritts 105, des sechsten Schritts 106 und des siebten Schritts 107 wird die Rotorscheibe 10 mit einer rein translatorischen oder mit einer schraubenförmigen Bewegung von der Auf- spannplatte 90 entfernt, damit das Mikrofon 60 gegenüber dem Schallerzeuger 46, 56 angeordnet werden kann. Alternativ wird der zu kalibrierende Schallerzeuger 46, 56 beispielsweise auf einer Schiene radial nach außen bis zu einem Punkt außerhalb des Um- fangs der Rotorscheibe 10 verfahren.
Bei einem achten Schritt 108 und einem neunten Schritt 109 werden die Rotorschaufeln 14, 15 der Rotorscheibe 10 mittels der Schallerzeuger 46, 56 mit gleichen oder verschiedenen vorbestimmten Phasenbeziehungen zum Referenzsignal angeregt. Insbesondere wird eine erste Rotorschaufel 14 mit einer ersten, beim zweiten Schritt 102 definierten Phasenbeziehung zum Referenzsignal und eine zweite Rotorschaufel 15 mit einer zweiten, beim zweiten Schritt 102 definierten Phasenbeziehung zum Referenzsignal angeregt. Besonders realistische Ergebnisse werden erhalten, wenn alle Rotorschaufeln 14, 15 gleichzeitig mit jeweils vorbestimmten Phasenbeziehungen zum Referenzsignal angeregt werden.
Bei einem zehnten Schritt 110 wird eine resultierende Schwingung der Rotorscheibe 10 erfasst, beispielsweise mittels eines scannenden Laser- Vibrometers 70. Die Schwingung der Rotorscheibe wird dabei in zeitlichem Bezug zu dem Referenzsignal erfasst. Dieser zeitliche Bezug besteht insbesondere darin, dass Messwerte zu definierten Zeitpunkten erfasst werden, die bis auf ganze Vielfache von 2π einen festen Bezug zum Referenzsignal aufweisen. Alternativ oder zusätzlich wird zu jedem Messwert der Zeitpunkt erfasst.
Die oben beschriebenen Schritte vom dritten Schritt 103 bis zum und einschließlich des zehnten Schritts 110 können nacheinander für eine Mehrzahl verschiedener Frequenzen wiederholt werden. Die Kalibrierung beim fünften Schritt 105, sechsten Schritt 106 und siebten Schritt 107 kann wie in Figur 6 dargestellt vor dem achten Schritt 108, dem neunten Schritt 109 und dem zehnten Schritt 110 und/oder nach diesen ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Schritte vom dritten Schritt 103 bis zum und einschließlich des zehnten Schritts 110 werden beispielsweise zunächst mit der Frequenz ausgeführt, die dem Erwartungswert der Eigenfrequenz der Schaufeln entspricht, und danach mit Frequenzen, die von diesem Erwartungswert immer weiter entfernt sind.
Bei einem elften Schritt 111 werden die Eigenfrequenzen der Rotorschaufeln 14, 15 bestimmt. Die Eigenfrequenz einer Rotorschaufel 14, 15 wird insbesondere als die Frequenz bestimmt, bei der ein Maximum der Schwingungsamplitude der Rotorschaufel 14, 15 vorliegt. Sobald die Maxima der Schwingungsamplituden für alle Rotorschaufeln 14, 15 eindeutig erfasst wurden, kann die Wiederholung der oben beschriebenen Schritte vom dritten Schritt 103 bis zum und einschließlich des zehnten Schritts 110 abgebrochen werden. Fourier-Transformationen müssen dabei im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren nicht durchgeführt werden.
Wenn nach Wiederholung der oben beschriebenen Schritte für eine Mehrzahl von Fre- quenzen die Eigenfrequenzen aller Schaufeln bestimmt sind, können diese als Eingangsgrößen für numerische Simulationen bzw. Berechnungen verwendet werden. Dabei werden beispielsweise bei einem optionalen zwölften Schritt 112 Amplitudenüberhöhungen für die Stator- bzw. Rotorscheibe unter Verwendung der Eigenfrequenzen bestimmt. Bei einem optionalen dreizehnten Schritt 113 kann das Verhalten einer gesamten Turbine, eines Axialverdichters oder einer anderen Strömungsmaschine, welche die Rotorscheibe enthält, unter Verwendung der Eigenfrequenzen bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde überwiegend anhand einer Rotorscheibe und der Erfassung ihres Schwingungsverhaltens dargestellt. Sie ist jedoch auch auf eine Statorscheibe, insbesondere eine integral beschaufelte Statorscheibe, und die Erfassung ihres Schwingungsverhaltens anwendbar. Die vorliegende Erfindung ist als Verfahren oder als Computer-Programm mit Programmcode zur Durchführung oder Steuerung eines solchen Verfahrens, wenn das Computer- Programm auf einem Computer oder einem Prozessor abläuft, implementierbar. Ferner ist die Erfindung als Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger (beispielsweise einem ROM-, PROM-, EPROM-, EEPROM- oder Flash-Speicher, einer CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blu-ray Disk, Diskette oder Festplatte) oder in Form von Firmware gespeichertem Programmcode zur Durchführung von einem der genannten Verfahren, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Computer, Rechner oder Prozessor abläuft, implementierbar. Ferner kann die vorliegende Erfindung als digitales Speichermedium (beispielsweise ROM-, PROM-, EPROM-, EEPROM- oder Flash- Speicher, CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blu-ray Disk, Diskette oder Festplatte) mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem programmierbaren Computer- oder Prozessor-System zusammenwirken können, dass eines der beschriebenen Verfahren ausgeführt wird, implementiert werden.
Ferner kann die vorliegende Erfindung als Steuerung implementiert werden, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um eines der beschriebenen Verfahren auszuführen, oder wobei die Steuerung ein Computer-Programm, ein Computer-Programm-Produkt oder ein digitales Speichermedium umfasst, wie sie im vorangehenden Absatz beschrieben wurden.
Bezugszeichenliste
10 Rotorscheibe
14 erste Rotorschaufel 15 zweite Rotorschaufel
20 Vorrichtung zum Erfassen eines Schwingungsverhaltens
30 Referenzsignaleinrichtung
40 erste Anregungseinrichtung
42 Verzögerungseinrichtung der ersten Anregungseinrichtung 44 Verstärker der ersten Anregungseinrichtung
46 Schallerzeuger der ersten Anregungseinrichtung
47 Amplitude der Anregung am Schallerzeuger 46 50 zweite Anregungseinrichtung
52 Verzögerungseinrichtung der zweiten Anregungseinrichtung 54 Verstärker der zweiten Anregungseinrichtung
56 Schallerzeuger der zweiten Anregungseinrichtung
57 Amplitude der Anregung am Schallerzeuger 56 60 Mikrofon
70 scannendes Laser- Vibrometer 71 erster Messpunkt des scannenden Laser- Vibrometers 70
72 zweiter Messpunkt des scannenden Laser- Vibrometers 70
78 Laserstrahl
80 Steuerung
82 Prozessor 84 Speicher
90 Aufspannplatte
92 Halterung
96 Schallerzeuger
97 Schallerzeuger 101 erster Schritt
102 zweiter Schritt
103 dritter Schritt 104 vierter Schritt
105 fünfter Schritt
106 sechster Schritt
107 siebter Schritt
108 achter Schritt
109 neunter Schritt
110 zehnter Schritt
111 elfter Schritt
112 zwölfter Schritt
113 dreizehnter Schritt

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zum Erfassen eines Schwingungsverhaltens einer integral beschaufelten Stator- oder Rotorscheibe (10), mit folgenden Schritten:
5
Definieren (102) einer ersten Phasenbeziehung und einer zweiten Phasenbeziehung;
Anregen (108) einer ersten Schaufel (14) der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) mit0 der ersten Phasenbeziehung zu einem Referenzsignal;
Anregen (109) einer zweiten Schaufel (15) der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) mit der zweiten Phasenbeziehung zu dem Referenzsignal; 5 Erfassen (110) einer Schwingung der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) in zeitlichem
Bezug zu dem Referenzsignal.
2. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, ferner mit folgendem Schritt:
o Auswählen (101) einer S chaufelschwingungsmode,
wobei beim Schritt des Definierens (102) die erste Phasenbeziehung und die zweite Phasenbeziehung so definiert werden, dass die ausgewählte Schaufelschwingungsmode bei den definierten Phasenbeziehungen nicht oder nicht wesentlich5 den Charakter einer Scheibenschwingungsmode aufweist.
3. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch,
wobei beim Schritt des Definierens (102) die erste Phasenbeziehung und die zwei-0 te Phasenbeziehung so definiert werden, dass bei den definierten Phasenbeziehungen eine Kopplung der ausgewählten Schaufelschwingungsmode mit einer Scheibenschwingungsmode ein vorbestimmtes Maß nicht überschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Phasenbeziehungen so definiert werden, dass bei den definierten Phasenbeziehungen zumindest entweder die Verteilung der Schwingungsenergie in der Stator- oder Rotorscheibe eine vorbe- stimmte Bedingung erfüllt oder die Ableitungen der Eigenfrequenzen nach den
Phasenbeziehungen einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreiten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem benachbarte Schaufeln (14, 15) mit entgegengesetzter Phase angeregt werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit folgenden Schritten:
Bestimmen (111) von Eigenfrequenzen der Schaufeln (14, 15) anhand der bei An- regung mit verschiedenen Frequenzen erfassten Schwingungen der Stator- bzw.
Rotorscheibe (10);
numerisches Bestimmen von Amplitudenüberhöhungen von Schaufeln (14, 15) aus den bestimmten Eigenfrequenzen.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schwingung an einer Mehrzahl vorbestimmter Punkte (71, 72) erfasst wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schwingung Laser- vibrometrisch erfasst wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schaufeln (14, 15) durch Schallerzeuger (46, 56) angeregt werden, die mit den Schaufeln (14, 15) über Luft oder ein anderes Fluid gekoppelt sind.
10. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, ferner mit folgenden Schritten: Erfassen (106) von von dem Schallerzeuger (46, 56) erzeugten Schall;
Kalibrieren (107) zumindest entweder des Schalldrucks oder der Phase des vom Schallerzeuger (46, 56) erzeugten Schalls.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei
nacheinander mehrere verschiedene Frequenzen des Referenzsignals eingestellt werden,
bei jeder Frequenz die Schritte des Defmierens (102) von Phasenbeziehungen, des Anregens (108, 109) von Schaufeln (15) und des Erfassens (109) einer Schwingung ausgeführt werden, und
bei jeder Frequenz zumindest entweder vor oder nach den Schritten des Anregens
(108, 109) von Schaufeln (15) für jeden Schallerzeuger (46, 56) zumindest entweder der Schalldruck oder die Phase des von dem Schallerzeuger (15) erzeugten Schalls kalibriert wird.
12. Computer-Programm mit Programmcode zur Durchführung oder Steuerung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Computer- Programm auf einem Computer oder einem Prozessor (82) abläuft.
13. Vorrichtung (20) zum Erfassen eines Schwingungsverhaltens einer integral be- schaufelten Stator- oder Rotorscheibe (10), mit:
einer Referenzsignaleinrichtung (30) zum Empfangen oder Erzeugen eines Referenzsignals;
einer ersten Anregungseinrichtung (40) zum Anregen einer ersten Schaufel (14) der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) mit einer ersten Phasenbeziehung zum Referenzsignal; einer zweiten Anregungseinrichtung (50) zum Anregen einer zweiten Schaufel (15) der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) mit einer zweiten Phasenbeziehung zum Referenzsignal;
einer Erfassungseinrichtung (70) zum Erfassen einer Schwingung der Stator- bzw. Rotorscheibe (10) in zeitlichem Bezug zu dem Referenzsignal.
14. Vorrichtung (20) nach dem vorangehenden Anspruch, bei der die Erfassungsein- richtung (70) zum Erfassen der Schwingung an einer Mehrzahl von vorbestimmten Punkten (71, 72) ausgebildet ist.
15. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Erfassungseinrichtung ein scannendes Laser- Vibrometer (70) umfasst.
16. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem jede Anregungseinrichtung (40, 50) einen Schallerzeuger (46, 56) umfasst, der ausgebildet ist, um über Luft oder ein anderes Fluid mit einer Schaufel (14, 15) gekoppelt zu werden.
17. Vorrichtung (20) nach dem vorangehenden Anspruch, ferner mit
einem Mikrofon (60) zum Erfassen von Schall, der von einem Schallerzeuger (46, 56) einer Anregungseinrichtung (40, 50) erzeugt wird;
einer Kalibriereinrichtung (80), die mit dem Mikrofon (60) und einer Anregungseinrichtung gekoppelt ist, zum Kalibrieren zumindest entweder des Schalldrucks oder der Phase des von einem Schallerzeuger erzeugten Schalls.
18. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, ferner mit einer Steuerung, die zum Steuern oder Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
9. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Vorrichtung (20) modular aufgebaut ist, um eine Anpassung der Vorrichtung (20) an Durchmesser und Anzahl der Schaufeln (14, 15) verschiedener Scheiben (10) zu ermöglichen.
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