EP2762678A1 - Verfahren zum Verstimmen eines Laufschaufelgitters - Google Patents

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EP2762678A1
EP2762678A1 EP13153956.1A EP13153956A EP2762678A1 EP 2762678 A1 EP2762678 A1 EP 2762678A1 EP 13153956 A EP13153956 A EP 13153956A EP 2762678 A1 EP2762678 A1 EP 2762678A1
Authority
EP
European Patent Office
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blade
values
natural frequency
centrifugal force
measured
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13153956.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Grönsfelder
Jan Walkenhorst
Armin De Lazzer
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to PL14702486T priority patent/PL2912272T3/pl
Priority to EP14702486.3A priority patent/EP2912272B1/de
Priority to KR1020157020876A priority patent/KR20150112989A/ko
Priority to CN201480007356.6A priority patent/CN104968894B/zh
Priority to JP2015555656A priority patent/JP6054550B2/ja
Priority to US14/764,062 priority patent/US9835034B2/en
Priority to PCT/EP2014/051322 priority patent/WO2014122028A1/de
Publication of EP2762678A1 publication Critical patent/EP2762678A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/16—Form or construction for counteracting blade vibration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/10—Manufacture by removing material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F05D2260/961—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise by mistuning rotor blades or stator vanes with irregular interblade spacing, airfoil shape

Definitions

  • the invention relates to a method for detuning a blade lattice.
  • a turbomachine has rotor blades arranged in the rotor blades, which can be regarded as firmly clamped at their blade roots and can oscillate during operation of the turbomachine. Depending on the operating state of the turbomachine, this can lead to oscillation processes in which oscillation states occur with high and critical stresses in the rotor blade. When the blade is stressed for a long time due to critical stress conditions, material fatigue occurs, which can ultimately lead to a reduction in the service life of the blade, which necessitates replacement of the rotor blade.
  • the object of the invention is to provide a method for detuning a blade lattice of a turbomachine, wherein the blades have a long life in the operation of the turbomachine.
  • the inventive method for detuning, in particular the rotor-dynamic detuning, of a turbine blade having a plurality of blades has the steps of: a) setting for each of the blades of the blade grid at least one desired natural frequency ⁇ F, S , which the blade for at least one predetermined vibration mode in normal operation of the turbomachine under a centrifugal force has such that the vibration load of the blade lattice under the centrifugal force is below a tolerance limit; b) establishing a table of values ⁇ F (m, r S ) with selected discrete mass values m and radial centroid r s , resulting from variations of the nominal geometry of the blade, and determining the respective natural frequency ⁇ F under centrifugal force for each selected pair of values m and r S ; c) measuring the mass m I and the radial center of gravity position r S, I of one of the moving blades; d) determining an actual natural frequency ⁇ F, I of the blade under the
  • the natural frequency ⁇ F, I under the centrifugal force can advantageously be determined with high accuracy.
  • the method according to the invention it is also advantageously possible to set this natural frequency ⁇ F, I with a high accuracy and to the specified desired natural frequency ⁇ F, S approximate.
  • the vibration load of the blade during operation of the turbomachine can be reduced, thereby extending the life of the blade.
  • the method is simple to perform because, for a precise determination of the actual natural frequency ⁇ F, I, surprisingly enough, it is sufficient to measure m I and r S, I of the blade without their complete geometry.
  • m I and r S, I are easily measured variables, for example, m I can be determined by means of a balance.
  • the predetermined vibration modes are preferably selected such that the natural frequencies ⁇ F, S associated with the vibration modes are equal to or lower than a multiple harmonic of the rotor rotational frequency, in particular eight times the harmonic, one value table ⁇ F (m, r s ) for a plurality or for all of the vibration modes is set up, the actual natural frequency ⁇ F, I is determined for each table of values and the value pair m S and r S, S is selected such that the determined ⁇ F, I to the set ⁇ F, S at least approximate.
  • the inventive method for detuning, in particular the rotor-dynamic detuning, of a turbine blade having a plurality of blades has the steps of: a) setting for each of the blades of the blade grid at least one desired natural frequency ⁇ F, S , which the blade for at least one predetermined vibration mode in normal operation of the turbomachine under a centrifugal force has such that the vibration load of the blade lattice under the centrifugal force is below a tolerance limit; b) establishing a value table ⁇ F (m, r S ) and a table of values ⁇ S (m, r S ) with selected discrete mass values m and radial centroid r s , resulting from variations of the nominal geometry of the blade, and determining the respective natural frequency ⁇ F under the centrifugal force and the respective natural frequency ⁇ S at the standstill of the blade for each selected value pair m and r S ; c) measuring the mass m I and the radial center of gravity r
  • the actual natural frequency ⁇ F, I under the centrifugal force can advantageously be determined with an even higher accuracy. It is also possible to use only the measurement of the natural frequency ⁇ S, I at standstill to control the ablation, without repeating the measurement of m I and r S, I.
  • the predetermined oscillation modes are preferably selected such that the natural frequencies ⁇ F, S associated with the oscillation modes are equal to or lower than a multiple harmonic of the rotor rotational frequency, in particular the eightfold harmonics, one value table ⁇ F (m, r s ) and one each Value table ⁇ S (m, r S ) is set up for a majority or all of the vibration modes, the actual natural frequency ⁇ F, I and the actual natural frequency ⁇ S, I is determined for each table of values, the value pair m S and r S , S is selected such that the determined ⁇ F, I approach the fixed ⁇ F, S at least and the natural frequencies ⁇ S, I are measured for the predetermined vibration modes.
  • the variations in nominal geometry preferably include thickening and / or thinning of the blade in each radial Section or in radial sections. It is preferred that the variations in the nominal geometry have a linear variation in the thickness of the blade over the radius. It is advantageously possible to set up the value table by thickening and thinning the nominal geometry with an accuracy sufficient for determining the natural frequencies ⁇ F and ⁇ S.
  • the desired natural frequencies ⁇ F, S are preferably set such that adjacent blades arranged in the blade lattice have unequal nominal natural frequencies ⁇ F, S and that the desired natural frequencies ⁇ F, S are different from the rotor rotational frequency during normal operation of the turbomachine up to and including a multiple harmonic of the rotor rotational frequency, in particular the eightfold harmonics of the rotor rotational frequency.
  • the measurement of the mass m 1 and the radial center of gravity position r S, I takes place relative to a reference blade, which has been measured three-dimensionally, in particular by means of a coordinate measuring machine and / or by means of an optical method.
  • the accuracy of a measurement depends on the size of the measuring range, with a larger measuring range resulting in a lower accuracy.
  • the value pair m S and r S, S is selected such that the imbalance of the rotor is reduced and / or that the effort for removal is minimal.
  • the knowledge of the value pair m S and r S, S is sufficient for a balancing of the rotor, so that advantageous by the removal of the material can be done detuning and balancing of the blade grid in a common process step.
  • the removal of the material can also be done so that the amount of material to be removed is minimized.
  • the predetermined vibration mode is preferably selected such that the natural frequency ⁇ F, S of the predetermined vibration mode is equal to or lower than the multiple harmonic of the rotor rotational frequency, in particular the eightfold harmonic of the rotor rotational frequency.
  • the natural frequencies ⁇ F and / or ⁇ I are preferably determined by calculation, in particular by means of a finite element method.
  • the blade when measuring the natural frequency ⁇ S, I, the blade is clamped to its blade root, the vibration of the blade is excited and the vibration is measured.
  • the vibration is preferably measured by means of vibration sensors, acceleration sensors, strain gauges, piezoelectric sensors and / or optical methods. This is a simple method for determining the natural frequency.
  • FIG. 1 shows three blades 1 of a turbomachine, wherein the first blade in its nominal geometry 5, the second blade both in its nominal geometry 5 and in a first variation 6 and a second variation 7 and the third blade both in their nominal geometry 5 and in a third Variation 8 and a fourth variation 9 are shown.
  • the rotor blades 1 have a blade root 2, which is fixedly mounted on a rotor shaft 4 of the turbomachine, and a blade tip 3 facing away from the blade root 2.
  • a vibration node is arranged on the blade root 2.
  • the radius r of the blade 1 is directed from the blade root 2 to the blade tip 3.
  • the second blade shows variations 6, 7 of the nominal geometry 5, in which, starting from the nominal geometry 5, the mass m is not changed, however, the radial center of gravity position r S of the blade.
  • the mass m is increased by uniformly thickening the second blade at each radial distance r from the rotation axis, and in the second variation 7, the mass m is reduced by uniformly thinning the second blade at each radial distance r.
  • the thickness of the blade in the circumferential direction and / or the axial direction is varied linearly over the radius r.
  • the blade is thickened at its blade root 2 and thinned at its blade tip 3
  • the blade is thinned at its blade root 2 and thickened at its blade tip 3.
  • the variations 8, 9 can also be carried out such that both the mass m and the radial center of gravity r S are changed.
  • a multiplicity of variations of the nominal geometry 5 are carried out and for each variation a natural frequency ⁇ S of the lowest frequency bending vibration of the blade 1 clamped at its blade root 2 and at a standstill is calculated by means of a finite element method. Furthermore, the natural frequency ⁇ F of the same bending vibration is calculated for each variation, taking into account the centrifugal force acting on the moving blade 1 during normal operation of the turbomachine. Optionally, when calculating ⁇ F , an increased temperature and thus changing material properties can also be taken into account. For a given blade lattice, it is advantageously only necessary to perform the variations of the nominal geometry once.
  • FIG. 3 the method according to the invention is shown in a flow chart. It is set for each of the blades 1 of the blade lattice a nominal natural frequency ⁇ F, S 14, which has the blade 1 for the lowest frequency bending vibration of the blade 2 fixedly clamped blade 1 during normal operation of the turbomachine under a centrifugal force, such that the Vibration load of the blade lattice below the centrifugal force is below a tolerance limit.
  • This is achieved by having rotor blades adjacently arranged in the blade lattice having unequal nominal natural frequencies ⁇ F, S and that the nominal natural frequencies ⁇ F, S are different from the rotor rotational frequency during normal operation of the turbomachine up to and including 8 times the rotor rotational frequency.
  • ⁇ S a corresponding desired natural frequency ⁇ S, S is determined 15, which has the blade 1 for the lowest-frequency bending vibration of the blade 1 firmly clamped to its blade root 2 at standstill.
  • the value table ⁇ S (m, r S ) and the value table ⁇ F (m, r S ) are set 16.
  • An actual target adjustment 21 is performed by comparing ⁇ F, I with ⁇ F, S.
  • a value pair m S and r S, S is selected from the value table ⁇ F (m, r S ) such that ⁇ F, I an ⁇ F, S is at least approximated, and material is removed from the blade 1 such that m I and r S, I correspond to the value pair m S and r S, S.
  • a plurality of value pairs m S and r S, S are generally available in order to achieve a certain natural frequency ⁇ F, S. From the plurality of value pairs, a pair of values m S and r S, S can be selected such that the rotor of the turbomachine is balanced and / or that the effort for removal is minimal.
  • the removal 24 can be done for example by grinding.
  • the natural frequency ⁇ S, I of the blade 1 can be measured 20 at a standstill.
  • the blade 1 is clamped to its blade root 2, the vibration of the blade 1 is excited, for example by a beat, and the sound emitted by the blade 1 is measured.
  • the mass m and radial center of gravity r S of the blade 1 can be measured 19. With a particularly high accuracy, the control can be performed by both the natural frequency ⁇ S, I 20 and the mass m and radial Center of gravity r S 19 are measured.
  • optional process steps 22 may be performed on the blade 1, such as applying a coating. Subsequently, the blade 1 is installed in the blade grid 23.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstimmen eines eine Mehrzahl an Laufschaufeln (1) aufweisenden Laufschaufelgitters einer Strömungsmaschine mit den Schritten: a) Festlegen (1) für jede der Laufschaufeln (1) des Laufschaufelgitters mindestens einer Soll-Eigenfrequenz ½ F,S , die die Laufschaufel für mindestens eine vorherbestimmte Schwingungsmode im Normalbetrieb der Strömungsmaschine unter einer Fliehkrafteinwirkung hat, derart, dass die Schwingungsbelastung des Laufschaufelgitters unter der Fliehkraft unterhalb einer Toleranzgrenze liegt (14); b) Aufstellen (16) einer Wertetabelle ½ F (m, r S ) mit ausgewählten diskreten Massewerten m und radialen Schwerpunktslagen r S , die sich aus Variationen (6 bis 9) der Nenngeometrie (5) der Laufschaufel (1) ergeben, und Ermitteln der jeweiligen Eigenfrequenz ½ F unter der Fliehkraft für jedes ausgewählte Wertepaar m und r S ; c) Messen (17) der Masse m I und der radialen Schwerpunktslage r S,I einer der Laufschaufeln (1) (19); d) Bestimmen von einer Ist-Eigenfrequenz ½ F , I der Laufschaufel (1) unter der Fliehkraft durch Interpolieren der gemessenen Masse m I und der gemessenen radialen Schwerpunktslage r S,I in der Wertetabelle ½ F (m, r S ); e) in dem Fall, dass ½ F,I außerhalb einer Toleranz um ½ F,S liegt, Auswählen aus der Wertetabelle ½ F (m, r S ) eines Wertepaars m S und r S,S derart, dass sich ½ F , an ½ F,S zumindest annähert, und Abtragen (24) von Material der Laufschaufel (1) derart, dass m I und r S,I dem Wertepaar m S und r S,S entsprechen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstimmen eines Laufschaufelgitters.
  • Eine Strömungsmaschine weist in Laufrädern angeordnete Laufschaufeln auf, die als an ihren Schaufelfüßen fest eingespannt angesehen werden können und im Betrieb der Strömungsmaschine schwingen können. In Abhängigkeit des Betriebszustands der Strömungsmaschine kann es dabei zu Schwingungsvorgängen kommen, bei denen Schwingungszustände mit hohen und kritischen Spannungen in der Laufschaufel auftreten. Bei einer zeitlich langen Belastung der Schaufel durch kritische Spannungszustände kommt es zu einer Materialermüdung, die letztendlich zu einer Lebensdauerreduzierung der Schaufel führen kann, welche einen Austausch der Laufschaufel notwendig macht.
  • Aufgrund von auf die Laufschaufel wirkenden Fliehkräften im Betrieb der Strömungsmaschine wird eine Vorspannung in der Laufschaufel erzeugt. Dadurch und durch die hohe Temperatur der Laufschaufel im Betrieb sind die Eigenfrequenzen der Laufschaufel im Betrieb verschieden von den Eigenfrequenzen bei der ruhenden und kalten Laufschaufel. Als qualitätssichernde Maßnahme während der Fertigung sind lediglich die Eigenfrequenzen im Stillstand der Strömungsmaschine messbar, wobei es jedoch zur Auslegung der Laufschaufel erforderlich ist, die Eigenfrequenzen unter der Fliehkraft zu kennen, damit die Schwingungsvorgänge, bei denen die Schwingungszustände mit den hohen und kritischen Spannungen in der Laufschaufel auftreten, vermieden werden können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verstimmen eines Laufschaufelgitters einer Strömungsmaschine zu schaffen, wobei die Laufschaufeln eine lange Lebensdauer im Betrieb der Strömungsmaschine haben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verstimmen, insbesondere dem rotordynamischen Verstimmen, eines eine Mehrzahl an Laufschaufeln aufweisenden Laufschaufelgitters einer Strömungsmaschine weist die Schritte auf: a) Festlegen für jede der Laufschaufeln des Laufschaufelgitters mindestens einer Soll-Eigenfrequenz νF,S, die die Laufschaufel für mindestens eine vorherbestimmte Schwingungsmode im Normalbetrieb der Strömungsmaschine unter einer Fliehkrafteinwirkung hat, derart, dass die Schwingungsbelastung des Laufschaufelgitters unter der Fliehkraft unterhalb einer Toleranzgrenze liegt; b) Aufstellen einer Wertetabelle νF(m, rS) mit ausgewählten diskreten Massewerten m und radialen Schwerpunktslagen rS, die sich aus Variationen der Nenngeometrie der Laufschaufel ergeben, und Ermitteln der jeweiligen Eigenfrequenz νF unter der Fliehkraft für jedes ausgewählte Wertepaar m und rS; c) Messen der Masse mI und der radialen Schwerpunktslage rS,I einer der Laufschaufeln; d) Bestimmen von einer Ist-Eigenfrequenz νF,I der Laufschaufel unter der Fliehkraft durch Interpolieren der gemessenen Masse mI und der gemessenen radialen Schwerpunktslage rS,I in der Wertetabelle νF(m, rS); e) in dem Fall, dass νF,I außerhalb einer Toleranz um νF,S liegt, Auswählen aus der Wertetabelle νF(m, rS) eines Wertepaars mS und rS,S derart, dass sich νF,I an νF,S zumindest annähert, und Abtragen von Material der Laufschaufel derart, dass mI und rS,I dem Wertepaar mS und rS,S entsprechen; f) Wiederholen der Schritte c) bis e) bis νF,I innerhalb der Toleranz um νF,S liegt.
  • Durch das Messen der Masse mI und der radialen Schwerpunktslage rS,I sowie durch das Interpolieren dieser Werte in der Wertetabelle νF(m, rS) kann die Eigenfrequenz νF,I unter der Fliehkraft vorteilhaft mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ebenso vorteilhaft möglich, diese Eigenfrequenz νF,I mit einer hohen Genauigkeit einzustellen und an die festgelegte Soll-Eigenfrequenz νF,S anzunähern. Somit kann die Schwingungsbelastung der Laufschaufel im Betrieb der Strömungsmaschine vermindert werden, wodurch sich die Lebensdauer der Laufschaufel verlängert. Zudem ist das Verfahren einfach durchzuführen, weil es für eine genaue Bestimmung der Ist-Eigenfrequenz νF,I überraschenderweise ausreichend ist, mI und rS,I der Laufschaufel ohne ihre vollständige Geometrie zu messen. Zudem sind mI und rS,I einfach zu messende Größen, beispielsweise kann mI mittels einer Waage bestimmt werden.
  • Die vorherbestimmten Schwingungsmoden werden bevorzugt derart gewählt, dass die zu den Schwingungsmoden zugehörigen Eigenfrequenzen νF,S gleich oder niederfrequenter als eine Vielfache Harmonische der Rotordrehfrequenz sind, insbesondere die Achtfache Harmonische, wobei jeweils eine Wertetabelle νF(m, rS) für eine Mehrzahl oder für alle der Schwingungsmoden aufgestellt wird, die Ist-Eigenfrequenz νF,I für jede Wertetabelle bestimmt wird und das Wertepaar mS und rS,S derart ausgewählt wird, dass sich die bestimmten νF,I an die festgelegten νF,S zumindest annähern.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verstimmen, insbesondere dem rotordynamischen Verstimmen, eines eine Mehrzahl an Laufschaufeln aufweisenden Laufschaufelgitters einer Strömungsmaschine weist die Schritte auf: a) Festlegen für jede der Laufschaufeln des Laufschaufelgitters mindestens einer Soll-Eigenfrequenz νF,S, die die Laufschaufel für mindestens eine vorherbestimmte Schwingungsmode im Normalbetrieb der Strömungsmaschine unter einer Fliehkrafteinwirkung hat, derart, dass die Schwingungsbelastung des Laufschaufelgitters unter der Fliehkraft unterhalb einer Toleranzgrenze liegt; b) Aufstellen einer Wertetabelle νF(m, rS) und einer Wertetabelle νS(m, rS) mit ausgewählten diskreten Massewerten m und radialen Schwerpunktslagen rS, die sich aus Variationen der Nenngeometrie der Laufschaufel ergeben, und Ermitteln der jeweiligen Eigenfrequenz νF unter der Fliehkraft und der jeweiligen Eigenfrequenz νS im Stillstand der Laufschaufel für jedes ausgewählte Wertepaar m und rS; c) Messen der Masse mI und der radialen Schwerpunktslage rS,I einer der Laufschaufeln; d) Bestimmen von einer Ist-Eigenfrequenz νF,I der Laufschaufel unter der Fliehkraft durch Interpolieren der gemessenen Masse mI und der gemessenen radialen Schwerpunktslage rS,I in der Wertetabelle νF(m, rS); e) in dem Fall, dass νF,I außerhalb einer Toleranz um νF,S liegt, Auswählen aus der Wertetabelle νF (m, rS) eines Wertepaars mS und rS,S derart, dass sich νF,I an νF,S zumindest annähert, und Abtragen von Material der Laufschaufel derart, dass mI und rS,I dem Wertepaar mS und rS,S entsprechen; f) in dem Fall, dass Material abgetragen wurde, Messen der Eigenfrequenz νS,I der Laufschaufel im Stillstand; g) Wiederholen der Schritte e) bis f) oder c) bis f) bis νF,I innerhalb der Toleranz um νF,S und νS,I innerhalb einer der Toleranz entsprechenden Toleranz um νS,S liegt.
  • Durch das zusätzliche Messen der Eigenfrequenz νS,I kann die Ist-Eigenfrequenz νF,I unter der Fliehkraft vorteilhaft mit einer noch höheren Genauigkeit bestimmt werden. Es ist auch möglich, zur Kontrolle des Abtragens lediglich die Messung der Eigenfrequenz νS,I im Stillstand heranzuziehen, ohne die Messung von mI und rS,I zu wiederholen.
  • Die vorherbestimmten Schwingungsmoden werden bevorzugt derart gewählt, dass die zu den Schwingungsmoden zugehörigen Eigenfrequenzen νF,S gleich oder niederfrequenter als eine Vielfache Harmonische der Rotordrehfrequenz sind, insbesondere die Achtfache Harmonische, wobei jeweils eine Wertetabelle νF(m, rS) und jeweils eine Wertetabelle νS(m, rS) für eine Mehrzahl oder für alle der Schwingungsmoden aufgestellt wird, die Ist-Eigenfrequenz νF,I und die Ist-Eigenfrequenz νS,I für jede Wertetabelle bestimmt wird, das Wertepaar mS und rS,S derart ausgewählt wird, dass sich die bestimmten νF,I an die festgelegten νF,S zumindest annähern und die Eigenfrequenzen νS,I für die vorherbestimmten Schwingungsmoden gemessen werden.
  • Die Variationen der Nenngeometrie weisen bevorzugt ein Verdicken und/oder ein Verdünnen der Laufschaufel in jedem radialen Schnitt oder in radialen Abschnitten auf. Es ist bevorzugt, dass die Variationen der Nenngeometrie ein lineares Variieren der Dicke der Laufschaufel über den Radius aufweisen. Es ist vorteilhaft möglich, die Wertetabelle durch das Verdicken und das Verdünnen der Nenngeometrie mit einer zur Bestimmung der Eigenfrequenzen νF und νS ausreichenden Genauigkeit aufzustellen.
  • Die Soll-Eigenfrequenzen νF,S werden bevorzugt derart festgelegt, dass in dem Laufschaufelgitter benachbart angeordnete Laufschaufeln ungleiche Soll-Eigenfrequenzen νF,S haben und dass die Soll-Eigenfrequenzen νF,S verschieden sind von der Rotordrehfrequenz im Normalbetrieb der Strömungsmaschine bis einschließlich einer Vielfachen Harmonischen der Rotordrehfrequenz, insbesondere der Achtfachen Harmonischen der Rotordrehfrequenz. Dadurch ist es unterbunden, dass eine schwingende Laufschaufel eine ihr benachbarte Laufschaufel zu einer Schwingung anregen kann und dass es zu einer Kopplung der Rotation des Laufschaufelgitters mit den Schwingungen der Laufschaufeln kommt. Somit sind die Schwingungsbelastungen der Laufschaufeln gering und ihre Lebensdauern lang.
  • Es ist bevorzugt, dass das Messen der Masse mI und der radialen Schwerpunktslage rS,I relativ als Differenzmessung zu einer Referenzschaufel erfolgt, die dreidimensional vermessen wurde, insbesondere mittels eines Koordinatenmessgeräts und/oder mittels eines optischen Verfahrens. Die Genauigkeit einer Messung hängt von der Größe des Messbereichs ab, wobei ein größerer Messbereich in einer geringeren Genauigkeit resultiert. Indem das Messen von mI und rS,I relativ zu der Referenzschaufel erfolgt, kann ein kleiner Messbereich mit einer hohen Genauigkeit verwendet werden. Es ist daher nur erforderlich eine einzige Laufschaufel als die Referenzschaufel zu nehmen und sie einmalig mit einem kostenintensiven dreidimensionalen Verfahren zu charakterisieren, wodurch auch mI und rS,I aller anderen Laufschaufeln mit der hohen Genauigkeit gemessen werden können.
  • Es ist bevorzugt, dass das Wertepaar mS und rS,S derart ausgewählt wird, dass die Unwucht des Rotors verringert wird und/oder dass der Aufwand zum Abtragen minimal wird. Die Kenntnis des Wertepaares mS und rS,S ist für ein Auswuchten des Rotors ausreichend, so dass vorteilhaft durch das Abtragen des Materials ein Verstimmen und ein Auswuchten des Laufschaufelgitters in einem gemeinsamen Verfahrensschritt erfolgen kann. Das Abtragen des Materials kann auch derart erfolgen, dass die Menge des abzutragenden Materials minimiert wird.
  • Die vorherbestimmte Schwingungsmode wird bevorzugt derart gewählt, dass die Eigenfrequenz νF,S der vorherbestimmten Schwingungsmode gleich oder niederfrequenter ist als die Vielfache Harmonische der Rotordrehfrequenz, insbesondere die Achtfache Harmonische der Rotordrehfrequenz. Die Eigenfrequenzen νF und/oder νI werden bevorzugt rechnerisch bestimmt, insbesondere mittels einer Finiten Elemente Methode.
  • Es ist bevorzugt, dass beim Messen der Eigenfrequenz νS,I die Laufschaufel an ihrem Schaufelfuß eingespannt wird, die Schwingung der Laufschaufel angeregt wird und die Schwingung gemessen wird. Die Schwingung wird bevorzugt mittels Schwingungsaufnehmer, Beschleunigungssensoren, Dehnmessstreifen, piezoelektrischer Sensoren und/oder optischer Verfahren gemessen. Hierbei handelt es sich um eine einfache Methode zur Bestimmung der Eigenfrequenz.
  • Mittels eines Vergleichs der gemessenen Eigenfrequenz νS,I mit einer durch Interpolieren von mI und rS,I in der Wertetabelle νS(m, rS) ermittelten Ist-Eigenfrequenz wird bevorzugt eine Anpassung des Modells zum Ermitteln der Eigenfrequenzen νF und νS durchgeführt. Dadurch können vorteilhaft Einflüsse des Werkstoffes auf die Eigenfrequenzen mit berücksichtigt werden.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    Längsschnitte von drei Laufschaufeln mit einer Nenngeometrie der Laufschaufel und Variationen der Nenngeometrie,
    Figur 2
    eine zweidimensionale Auftragung von Eigenfrequenzen νS der Laufschaufel im Stillstand und eine zweidimensionale Auftragung von Eigenfrequenzen νF der Laufschaufel unter Fliehkraft als Funktion der Masse m und der radialen Schwerpunktslage rS der Laufschaufel und
    Figur 3
    ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Figur 1 zeigt drei Laufschaufeln 1 einer Strömungsmaschine, wobei die erste Laufschaufel in ihrer Nenngeometrie 5, die zweite Laufschaufel sowohl in ihrer Nenngeometrie 5 als auch in einer ersten Variation 6 und einer zweiten Variation 7 und die dritte Laufschaufel sowohl in ihrer Nenngeometrie 5 als auch in einer dritten Variation 8 und einer vierten Variation 9 dargestellt sind. Die Laufschaufeln 1 weisen einen Schaufelfuß 2, der an einer Rotorwelle 4 der Strömungsmaschine fest angebracht ist, und eine dem Schaufelfuß 2 abgewandte Schaufelspitze 3 auf. Bei einer Schwingung der Laufschaufel 1 im Betrieb der Strömungsmaschine ist an dem Schaufelfuß 2 ein Schwingungsknoten angeordnet. Der Radius r der Laufschaufel 1 ist von dem Schaufelfuß 2 zu der Schaufelspitze 3 gerichtet.
  • Die zweite Laufschaufel zeigt Variationen 6, 7 der Nenngeometrie 5 auf, bei denen ausgehend von der Nenngeometrie 5 die Masse m jedoch nicht die radiale Schwerpunktslage rS der Laufschaufel verändert wird. In der ersten Variation 6 wird die Masse m vergrößert, indem die zweite Laufschaufel in jedem radialen Abstand r zur Rotationsachse gleichmäßig verdickt wird und in der zweiten Variation 7 wird die Masse m verringert, indem die zweite Laufschaufel in jedem radialen Abstand r gleichmäßig verdünnt wird.
  • Bei den Variationen 8, 9 der dritten Laufschaufel wird ausgehend von der Nenngeometrie 5 die Dicke der Laufschaufel in der Umfangsrichtung und/oder der Axialrichtung linear über den Radius r variiert. Gemäß der dritten Variation 8 wird ausgehend von der Nenngeometrie 5 die Laufschaufel an ihrem Schaufelfuß 2 verdickt und an ihrer Schaufelspitze 3 verdünnt und gemäß der vierten Variation 9 wird ausgehend von der Nenngeometrie 5 die Laufschaufel an ihrem Schaufelfuß 2 verdünnt und an ihrer Schaufelspitze 3 verdickt. Dadurch wird in der dritten Variation 8 die radiale Schwerpunktslage rS nach radial innen und in der vierten Variation 9 nach radial außen verschoben, wohingegen sich die Masse m nicht verändert. Die Variationen 8, 9 können jedoch auch derart durchgeführt werden, dass sowohl die Masse m als auch die radiale Schwerpunktslage rS verändert werden. Zudem ist es möglich, die Masse m und die radiale Schwerpunktslage rS durch Verdicken und/oder Verdünnen der Laufschaufel 1 in ausgewählten radialen Abschnitten durchzuführen.
  • Es wird eine Vielzahl von Variationen der Nenngeometrie 5 durchgeführt und für jede Variation wird eine Eigenfrequenz νS der niederfrequentesten Biegeschwingung der an ihrem Schaufelfuß 2 eingespannten und sich im Stillstand befindlichen Laufschaufel 1 mittels einer Finiten Elemente Methode berechnet. Weiterhin wird für jede Variation die Eigenfrequenz νF der gleichen Biegeschwingung berechnet, wobei die auf die Laufschaufel 1 im Normalbetrieb der Strömungsmaschine wirkende Fliehkraft berücksichtigt wird. Optional können bei der Berechnung von νF auch eine erhöhte Temperatur und sich damit verändernde Werkstoffeigenschaften mit berücksichtigt werden. Für ein gegebenes Laufschaufelgitter ist es vorteilhaft lediglich erforderlich, die Variationen der Nenngeometrie einmalig durchzuführen.
  • Es wird anschließend für jede Variation der Nenngeometrie 5 die Masse m und die radiale Schwerpunktslage rS der Laufschaufel 1 bestimmt und eine Wertetabelle νS(m, rS) mit Wertetripeln νS ,m, rS und eine Wertetabelle νF(m, rS) mit Wertetripeln νF, m, rS aufgestellt. In der linken Auftragung in Figur 2 ist die Wertetabelle νS(m, rS) und in der rechten Auftragung in Figur 2 die Wertetabelle νF(m, rS) dargestellt, indem die jeweilige Eigenfrequenz νS 10 und νF 11 gegen die Masse m 12 und die radiale Schwerpunktslage rS 13 aufgetragen ist. Die Eigenfrequenzen νS 10 und νF 11 sind dabei in willkürlichen Einheiten und die Nenngeometrie 5 ist jeweils bei m=0 und rS=0 aufgetragen. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass eine Verringerung der Masse m und eine Verschiebung der radialen Schwerpunktslage rS nach innen mit einer Erhöhung der Eigenfrequenzen νS 10 und νF 11 einhergehen.
  • In Figur 3 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einem Ablaufschema dargestellt. Es wird für jede der Laufschaufeln 1 des Laufschaufelgitters eine Soll-Eigenfrequenz νF,S festgelegt 14, die die Laufschaufel 1 für die niederfrequenteste Biegeschwingung der an ihrem Schaufelfuß 2 fest eingespannten Laufschaufel 1 im Normalbetrieb der Strömungsmaschine unter einer Fliehkrafteinwirkung hat, derart, dass die Schwingungsbelastung des Laufschaufelgitters unter der Fliehkraft unterhalb einer Toleranzgrenze liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass indem Laufschaufelgitter benachbart angeordnete Laufschaufeln ungleiche Soll-Eigenfrequenzen νF,S haben und dass die Soll-Eigenfrequenzen νF,S verschieden sind von der Rotordrehfrequenz im Normalbetrieb der Strömungsmaschine bis einschließlich der Achtfachen Harmonischen der Rotordrehfrequenz.
  • Anschließend wird zu jeder Soll-Eigenfrequenz νF,S eine entsprechende Soll-Eigenfrequenz νS,S ermittelt 15, die die Laufschaufel 1 für die niederfrequenteste Biegeschwingung der an ihrem Schaufelfuß 2 fest eingespannten Laufschaufel 1 im Stillstand hat. Darauf folgend werden, wie oben beschrieben, durch die Variationen der Nenngeometrie 5 die Wertetabelle νS(m, rS) und die Wertetabelle νF(m, rS) aufgestellt 16.
  • Nach der Fertigung 18 der Laufschaufel 1 werden ihre Masse m und radiale Schwerpunktslage rS gemessen 19. Anschließend wird eine Ist-Eigenfrequenz νF,I der Laufschaufel 1 unter der Fliehkraft durch Interpolieren der gemessenen Masse mI und der gemessenen radialen Schwerpunktslage rS,I in der Wertetabelle νF(m, rS) bestimmt 17.
  • Es wird ein Ist-Soll Abgleich 21 durchgeführt, indem νF,I mit νF,S verglichen wird. In dem Fall, dass νF,I außerhalb einer Toleranz um νF,S liegt, wird aus der Wertetabelle νF(m, rS) ein Wertepaar mS und rS,S derart ausgewählt, dass sich νF,I an νF,S zumindest annähert, und Material von der Laufschaufel 1 derart abgetragen 24 wird, dass mI und rS,I dem Wertepaar mS und rS,S entsprechen. Wie es aus der rechten Auftragung aus Figur 2 ersichtlich ist, stehen in der Regel eine Mehrzahl an Wertepaaren mS und rS,S zur Verfügung, um eine gewisse Eigenfrequenz νF,S zu erreichen. Aus der Mehrzahl an den Wertepaaren kann ein Wertepaar mS und rS,S derart ausgewählt werden, dass der Rotor der Strömungsmaschine ausgewuchtet ist und/oder dass der Aufwand zum Abtragen minimal ist. Das Abtragen 24 kann beispielsweise durch ein Schleifen erfolgen.
  • Zur Kontrolle des Abtragens 24 kann die Eigenfrequenz νS,I der Laufschaufel 1 im Stillstand gemessen 20 werden. Dazu wird die Laufschaufel 1 an ihrem Schaufelfuß 2 eingespannt, die Schwingung der Laufschaufel 1 angeregt, beispielsweise durch einen Schlag, und der von der Laufschaufel 1 emittierte Schall gemessen. Alternativ kann zur Kontrolle des Abtragens 24 auch die Masse m und radiale Schwerpunktslage rS der Laufschaufel 1 gemessen werden 19. Mit einer besonders hohen Genauigkeit kann die Kontrolle durchgeführt werden, indem sowohl die Eigenfrequenz νS,I 20 als auch die Masse m und radiale Schwerpunktslage rS 19 gemessen werden.
  • Es ist auch möglich, bereits vor dem Abtragen 24 des Materials sowohl die Masse m und die radiale Schwerpunktslage rS 19 als auch die Eigenfrequenz νS,I 20 zu messen, um damit die Ist-Eigenfrequenz νF,I mit einer besonders hohen Genauigkeit zu messen. Mittels eines Vergleichs der gemessenen Eigenfrequenz νS,I mit einer durch Interpolieren von mI und rS,I in der Wertetabelle νS(m, rS) ermittelten Ist-Eigenfrequenz kann eine Anpassung des Modells zum Ermitteln der Eigenfrequenzen νF und νS durchgeführt werden.
  • In dem Fall, dass νF,I innerhalb einer Toleranz um νF,S liegt, können optionale Verfahrensschritte 22 an der Laufschaufel 1 durchgeführt werden, wie beispielsweise ein Auftragen einer Beschichtung. Anschließend wird die Laufschaufel 1 in das Laufschaufelgitter eingebaut 23.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Verstimmen eines eine Mehrzahl an Laufschaufeln (1) aufweisenden Laufschaufelgitters einer Strömungsmaschine mit den Schritten:
    a) Festlegen (14) für jede der Laufschaufeln (1) des Laufschaufelgitters mindestens einer Soll-Eigenfrequenz νF,S, die die Laufschaufel (1) für mindestens eine vorherbestimmte Schwingungsmode im Normalbetrieb der Strömungsmaschine unter einer Fliehkrafteinwirkung hat, derart, dass die Schwingungsbelastung des Laufschaufelgitters unter der Fliehkraft unterhalb einer Toleranzgrenze liegt;
    b) Aufstellen (16) einer Wertetabelle νF(m, rS) mit ausgewählten diskreten Massewerten m und radialen Schwerpunktslagen rS, die sich aus Variationen (6 bis 9) der Nenngeometrie (5) der Laufschaufel (1) ergeben, und Ermitteln der jeweiligen Eigenfrequenz νF der vorherbestimmten Schwingungsmode unter der Fliehkraft für jedes ausgewählte Wertepaar m und rS;
    c) Messen (19) der Masse mI und der radialen Schwerpunktslage rS,I einer der Laufschaufeln (1);
    d) Bestimmen (17) von einer Ist-Eigenfrequenz νF,I der Laufschaufel (1) unter der Fliehkraft durch Interpolieren der gemessenen Masse mI und der gemessenen radialen Schwerpunktslage rS,I in der Wertetabelle νF(m, rS);
    e) in dem Fall, dass νF,I außerhalb einer Toleranz um νF,S liegt, Auswählen aus der Wertetabelle νF(m, rS) eines Wertepaars mS und rS,S derart, dass sich νF,I an νF,S zumindest annähert, und Abtragen (24) von Material der Laufschaufel (1) derart, dass mI und rS,I dem Wertepaar mS und rS,S entsprechen;
    f) Wiederholen der Schritte c) bis e) bis νF,I innerhalb der Toleranz um νF,S liegt.
  2. Verfahren zum Verstimmen eines eine Mehrzahl an Laufschaufeln (1) aufweisenden Laufschaufelgitters einer Strömungsmaschine mit den Schritten:
    a) Festlegen (14) für jede der Laufschaufeln (1) des Laufschaufelgitters mindestens einer Soll-Eigenfrequenz νF,S, die die Laufschaufel (1) für mindestens eine vorherbestimmte Schwingungsmode im Normalbetrieb der Strömungsmaschine unter einer Fliehkrafteinwirkung hat, derart, dass die Schwingungsbelastung des Laufschaufelgitters unter der Fliehkraft unterhalb einer Toleranzgrenze liegt;
    b) Aufstellen (16) einer Wertetabelle νF(m, rS) und einer Wertetabelle νS(m, rS) mit ausgewählten diskreten Massewerten m und radialen Schwerpunktslagen rS, die sich aus Variationen (6 bis 9) der Nenngeometrie (5) der Laufschaufel (1) ergeben, und Ermitteln der jeweiligen Eigenfrequenz νF der vorherbestimmten Schwingungsmode unter der Fliehkraft und der jeweiligen Eigenfrequenz νS der vorherbestimmten Schwingungsmode im Stillstand der Laufschaufel (1) für jedes ausgewählte Wertepaar m und rS;
    c) Messen (19) der Masse mI und der radialen Schwerpunktslage rS,I einer der Laufschaufeln (1);
    d) Bestimmen (17) von einer Ist-Eigenfrequenz νF,I der Laufschaufel (1) unter der Fliehkraft durch Interpolieren der gemessenen Masse mI und der gemessenen radialen Schwerpunktslage rS,I in der Wertetabelle νF(m, rS);
    e) in dem Fall, dass νF,I außerhalb einer Toleranz um νF,S liegt, Auswählen aus der Wertetabelle νF(m, rS) eines Wertepaars mS und rS,S derart, dass sich νF,I an νF,S zumindest annähert, und Abtragen (24) von Material der Laufschaufel (1) derart, dass mI und rS,I dem Wertepaar mS und rS,S entsprechen;
    f) in dem Fall, dass Material abgetragen wurde, Messen (20) der Eigenfrequenz νS,I der Laufschaufel (1) im Stillstand;
    g) Wiederholen der Schritte e) bis f) oder c) bis f) bis νF,I innerhalb der Toleranz um νF,S und νS,I innerhalb einer der Toleranz entsprechenden Toleranz um νS,S liegt.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    wobei die vorherbestimmten Schwingungsmoden derart gewählt werden, dass die zu den Schwingungsmoden zugehörigen Eigenfrequenzen νF,S gleich oder niederfrequenter als eine Vielfache Harmonische der Rotordrehfrequenz sind, insbesondere die Achtfache Harmonische,
    wobei jeweils eine Wertetabelle νF(m, rS) für eine Mehrzahl oder für alle der Schwingungsmoden aufgestellt (16) wird, die Ist-Eigenfrequenz νF,I für jede Wertetabelle bestimmt (17) wird und das Wertepaar mS und rS,S derart ausgewählt wird, dass sich die bestimmten νF,I an die festgelegten νF,S zumindest annähern.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 2,
    wobei die vorherbestimmten Schwingungsmoden derart gewählt werden, dass die zu den Schwingungsmoden zugehörigen Eigenfrequenzen νF,S gleich oder niederfrequenter als eine Vielfache Harmonische der Rotordrehfrequenz sind, insbesondere die Achtfache Harmonische,
    wobei jeweils eine Wertetabelle νF(m, rS) und jeweils eine Wertetabelle νS(m, rS) für eine Mehrzahl oder für alle der Schwingungsmoden aufgestellt (16) wird, die Ist-Eigenfrequenz νF,I und die Ist-Eigenfrequenz νS,I für jede Wertetabelle bestimmt (17) wird, das Wertepaar mS und rS,S derart ausgewählt wird, dass sich die bestimmten νF,I an die festgelegten νF,S zumindest annähern und die Eigenfrequenzen νS,I für die vorherbestimmten Schwingungsmoden gemessen (20) werden.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei die Variationen (6 bis 9) der Nenngeometrie (5) ein Verdicken und/oder ein Verdünnen der Laufschaufel (1) in jedem radialen Schnitt oder in radialen Abschnitten aufweisen.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei die Variationen (6 bis 9) der Nenngeometrie (5) ein lineares Variieren (8, 9) der Dicke der Laufschaufel (1) über den Radius aufweisen.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei die Soll-Eigenfrequenzen νF,S derart festgelegt werden, dass in dem Laufschaufelgitter benachbart angeordnete Laufschaufeln ungleiche Soll-Eigenfrequenzen νF,S haben und dass die Soll-Eigenfrequenzen νF,S verschieden sind von der Rotordrehfrequenz im Normalbetrieb der Strömungsmaschine bis einschließlich einer Vielfachen Harmonischen der Rotordrehfrequenz,
    insbesondere der Achtfachen Harmonischen der Rotordrehfrequenz.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei das Messen der Masse mI und der radialen Schwerpunktslage rS,I relativ als Differenzmessung zu einer Referenzschaufel erfolgt, die dreidimensional vermessen wurde, insbesondere mittels eines Koordinatenmessgeräts und/oder mittels eines optischen Verfahrens.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei das Wertepaar mS und rS,S derart ausgewählt wird, dass die Unwucht des Rotors verringert wird und/oder dass der Aufwand zum Abtragen minimal wird.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
    wobei die vorherbestimmte Schwingungsmode derart gewählt wird, dass die Eigenfrequenz νF,S der vorherbestimmten Schwingungsmode gleich oder niederfrequenter als eine Vielfache Harmonische der Rotordrehfrequenz ist, insbesondere die Achtfache Harmonische der Rotordrehfrequenz.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,
    wobei die Eigenfrequenzen νF und/oder νI rechnerisch bestimmt werden,
    insbesondere mittels einer Finite Elemente Methode.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2, 4 bis 11,
    wobei beim Messen der Eigenfrequenz νS,I die Laufschaufel (1) an ihrem Schaufelfuß (2) eingespannt wird, die Schwingung der Laufschaufel (1) angeregt wird und gemessen wird.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2, 4 bis 12,
    wobei mittels eines Vergleichs der gemessenen Eigenfrequenz νS,I mit einer durch Interpolieren von mI und rS,I in der Wertetabelle νS(m, rS) ermittelten Ist-Eigenfrequenz eine Anpassung des Modells zum Ermitteln der Eigenfrequenzen νF und νS durchgeführt wird.
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