WO2019001813A1 - Elektromagnetischer schwingungsanreger zur schwingungsanregung der schaufeln eines schaufelkranzes - Google Patents

Elektromagnetischer schwingungsanreger zur schwingungsanregung der schaufeln eines schaufelkranzes Download PDF

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WO2019001813A1
WO2019001813A1 PCT/EP2018/061736 EP2018061736W WO2019001813A1 WO 2019001813 A1 WO2019001813 A1 WO 2019001813A1 EP 2018061736 W EP2018061736 W EP 2018061736W WO 2019001813 A1 WO2019001813 A1 WO 2019001813A1
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WO
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vibration exciter
ring
iron core
blades
electromagnetic vibration
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PCT/EP2018/061736
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Inventor
Thomas Hoffmann
Martin Jahn
Lars DR. PANNING-VON SCHEIDT
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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/04—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism
    • B06B1/045—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism using vibrating magnet, armature or coil system
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • 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
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring
    • 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
    • F05D2260/83—Testing, e.g. methods, components or tools therefor

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic vibration exciter for vibrational excitation of the blades of a blade ring according to claim 1.
  • blades are used to effect a power transmission between a rotating or rotatable shaft of the unit and a working medium.
  • These blades of the aggregate can also be referred to together as a blade ring or blading.
  • Use case can be e.g. speak of turbine, stator or compressor blades.
  • the individual blades of the blading can be excited to vibrate.
  • the excitation may be due to inhomogeneities in the flow with the working medium such. the air done.
  • the resulting vibrations can have a negative effect on the service life of the blades, since long load periods can cause cracks, which can ultimately lead to a fatigue failure of the individual blades.
  • long load periods can cause cracks, which can ultimately lead to a fatigue failure of the individual blades.
  • the blades of a blading can be designed to be correspondingly robust, so that they can withstand the above-mentioned vibrations permanently and even under short-term strong loads.
  • experimental tests are carried out in addition to numerical simulations. These are used primarily for the validation of the developed calculation programs. In other words, under certain boundary conditions, the result of the numerical simulation is compared with the measurement results of an experimental experiment under the same boundary conditions and the numerical simulation program is adapted accordingly so that the simulation results are as good as possible for the measurement results correspond.
  • the real conditions of the application can be simulated with sufficient accuracy by means of the numerical simulation program, so that by means of the numerical simulation program it is possible to design a blading which can withstand the real conditions.
  • the blading is usually displaced in the experimental attempt by a force excitation in a possible defined vibration state.
  • the comparison with the results of a numerical simulation program can be performed so easily by performing a simulation with the same force excitation.
  • Schleuderbunker or on a real aggregate unfavorable for this purpose since such an experimental experiment associated with high cost and may be subject to high uncertainties and critical operating conditions often can not be considered.
  • the rotating blading is then energized during operation by force pulses generated by the permanent magnets when a blade of the blading passes through a permanent magnet.
  • force pulses generated by the permanent magnets act on each blade per revolution as many power pulses as individual permanent magnets are arranged.
  • the fundamental harmonic excitation frequency EOi thus corresponds to the number of magnets, if they are arranged equidistant.
  • FIG. 1 shows the normalized course of the idealized excitation force experienced by a single blade of a blading during one revolution over four permanent magnets.
  • the individual pulses are modeled in a first approximation as rectangular signals over the circumferential angle ü.
  • Figure 2 shows this signal in the frequency domain.
  • the excitation of the rotating blade ring can be done by electromagnets instead of permanent magnets.
  • the excitation in the rotating system can also be done with magnets.
  • the explained basic problem of the jerky excitation and the resulting unwanted excitation frequencies E0 2, etc. is usually present in these variants as well.
  • the jerk-like excitation can be completely avoided by using a non-rotating blade ring.
  • a bucket is always above the same electromagnet.
  • the use of a non-rotating test stand has the disadvantage that dynamic effects such as “spin softening” and “stress stiffening” can not be generated or only with great effort.
  • damping structures such as sub-platform dampers and Shroud coupling can not be used in a realistic manner due to the lack of centripetal acceleration. Therefore, in particular for the design of blade rings with damping structures, the previously described test stands with rotating blades as test carriers are to be preferred.
  • a disadvantage of the test stands with rotating blades or with a rotating blade ring however, that for the excitation with individual (permanent or electric) magnet a
  • DE 43 34 799 AI relates to a device for testing blades of a turbomachine, in particular a turbine, with a motor-driven, rotatably mounted shaft train on which a wheel disc is rotatably mounted on which the blades are releasably anchored. All blades are heated. Furthermore, an electromagnetic shaking device is provided with which the blades can be impressed on the rotating shaft train vibrations.
  • An object of the present invention is to provide an electromagnetic vibration exciter for vibrational excitation of the blades of a blade ring of the type described above, so that the described harmonics E0 2 etc. eliminated in the excitation force profile or at least can be reduced so that the excitation of the blading as possible only with desired frequencies can be done. At least an alternative to known such electromagnetic vibration exciters should be created.
  • the object is achieved by an electromagnetic vibration exciter for
  • the present invention relates to an electromagnetic vibration exciter for
  • Vibration excitation of the blades of a blade ring with at least one iron core, which at least in sections, preferably continuously, in the circumferential direction over a circumferential angle ⁇ is annular.
  • the iron core is further configured to be arranged in the circumferential direction perpendicular to the blades, so that at least one upper side of the iron circle at least in sections, preferably continuously, has a distance in the height to the blades. This distance can also be considered Air gap can be called, as is usual in magnetic circuits.
  • the upper side of the iron circle is understood to mean the side which points towards the distance or the air gap.
  • the electromagnetic vibration exciter also has at least one field coil which is designed to be supplied with electricity and to generate an electromagnetic field which extends at least in sections through the iron core, through the blades and over the distance.
  • the field coil may preferably consist of several turns of enamelled copper wire whose ends can be led to the outside and connected to a voltage source.
  • the field coil can be operated by means of the voltage source with DC voltage or with AC voltage.
  • a magnetic circuit can be closed by the iron core via the air gap in the blades and from there via the air gap at another point back into the iron core.
  • the distance or the air gap has over the circumferential angle ⁇ at least one change in the height.
  • U m is the magnetic voltage
  • ⁇ 0 is the magnetic field constant
  • A is the cross-sectional area of the magnetic circuit, ie here the surface of the iron core
  • R, n is the magnetic resistance of the magnetic circuit.
  • the magnetic voltage U m can be generated by the field coil, which in turn can contribute significantly to the generation of the magnetic attraction force F.
  • d denotes the distance of the structure to be attracted, i. shovels, iron core.
  • Attraction force F acting between the surface of the iron core and the blades inversely proportional to the square of the distance, ie the air gap, is: 1
  • the individual magnets are so far arranged at identical distances from the blades, so that, viewed in the circumferential direction, a constant air gap results over the entire extension of the blades or of the electromagnetic vibration exciter.
  • the distance or the air gap according to the invention over the circumferential angle ⁇ at least one change in height.
  • ⁇ is a constant that takes into account the other influencing parameters of the very first equation, see above.
  • ⁇ is a constant that takes into account the other influencing parameters of the very first equation, see above.
  • only the course of the height h ( ⁇ ) for a force curve is to be interpreted, which is formed as a combination of sine terms of several frequencies.
  • the course of the height h ( ⁇ ) can also be designed for other, arbitrary excitation forms, which need not be sinusoidal or cosinusoidal.
  • the distance over the circumferential angle ⁇ has a plurality of changes in height.
  • the freedom of design to vary the magnetic attraction over the distance can be further increased.
  • the change or the changes in the height in the circumferential direction is at least in sections, preferably continuously, continuous. In this way, a harmonic excitation can be made possible, which defines the defined
  • Test suggestions which must be experimentally adjusted, can come as close as possible. Furthermore, the eddy currents described above, which can result from discontinuities, can be avoided. According to a further aspect of the present invention, the distance over the circumferential angle ⁇ at least in sections, preferably continuously, a harmonic curve in height. As a result, a harmonious excitation of the magnetic attraction can be ensured, which may be advantageous for the reasons already described above.
  • the distance over the circumferential angle ⁇ at least in sections, preferably continuously, corresponds in height to a curve of a Fourier-transformable function.
  • all Fourier transformable functions can be used, which can significantly increase the design latitude for implementing the knowledge described above.
  • the change or the changes in height in the circumferential direction are at least in sections, preferably continuously, in an abrupt manner.
  • alternative suggestions can be created in comparison to steady progressions. For example, can be readjusted as suggestions, as they can occur in reality by the wake of the vanes of an aircraft engine.
  • the iron core is U-shaped, so that an upwardly open interior is formed by the iron core, wherein the field coil is arranged within the interior space.
  • This allows a compact electromagnetic vibration exciter, which in a corresponding test stand perpendicular to the blades or to the Can be arranged and operated blade tips.
  • the magnetic circuit can pass from the field coil through the one leg of the U-profile and the overlying distance or air gap in the blades and from there on the other distance and the other leg of the U-profile back to the field coil.
  • the iron core has a base ring with a radially inner leg and a radially outer leg, wherein the two legs define the interior radially on both sides, and the iron core has an inner profile ring, which on the radially inner leg of the base ring is arranged, and an outer profile ring, which is arranged on the radially outer leg of the base ring, wherein the top of the inner profile ring and or or the top of the outer profile ring forms the top of the iron core or form.
  • the electromagnetic vibration exciter according to the invention can be realized in that an always the same base ring is used as a basic element, which U-shaped ig is formed and receives the field coil in its interior, as already described above. Depending on the application, this basic element can then be adapted to the desired excitation shape by means of correspondingly formed profile rings.
  • the two profile rings can each have a profile which can generate the desired magnetic attraction by the change in its height and thus the distance over the circumferential angle ⁇ .
  • the basic element can be adapted and used repeatedly for different excitation processes once or by exchanging the profile rings.
  • a new set of profile rings can be provided, by the use of which the base ring can be adapted.
  • the inner profile ring and / or the outer profile ring is arranged interchangeably on the base ring.
  • the tops of the profile rings over the circumferential angle ⁇ at least in sections, preferably continuously, the same or a different course. If, which is to be preferred, the same course of the distances for the two profile rings selected, then these courses or the suggestions thereby caused are in phase with each other.
  • profile rings used with the same but offset in the circumferential direction arranged gradients of height excitation can be done with different force amplitudes of the two profile rings.
  • the iron core is annularly closed in the circumferential direction except for a passage of the electrical connections of the field coil and the profile rings in the circumferential direction are closed continuously annular. In this way, carried out in the lower region of the base ring, the magnetic flux does not pass directly into the distance, carrying out the electrical connections of the field coil to arrange them within the U-shaped profile of the base ring and still be able to supply electricity.
  • the iron core in the region of the two profile rings which border directly on the distance to the blades, can be made continuously closed in the circumferential direction in order to achieve a continuous and uninterrupted magnetic flux between the iron core and the blades.
  • strong gradients which result from discontinuities of the magnetic field and can lead to heating of the blades, can be avoided or at least reduced.
  • the profile rings are positively held, preferably in each case by a plug connection, and / or non-positively, preferably in each case by at least one pair of centering pins on the legs of the base ring.
  • a simple but still secure hold can be made possible, which can be repealed at the same time non-destructive, if the profile rings are to be replaced, as described above.
  • the profile rings are positioned in the radial direction and / or in the circumferential direction defined on the legs of the base ring, preferably in each case by at least one pair of centering pins.
  • a positioning in the radial direction to align the two profile rings relative to the axis of the vertical direction of the electromagnetic vibration exciter.
  • a radial centering of the two profile rings can be achieved thereby.
  • the inner profile ring and / or the outer profile ring comprises a high permeability ferromagnetic material, preferably consisting of a high permeability ferromagnetic material.
  • Figure 1 is a diagram of the magnetic force over the circumferential angle in a permanent magnet excitation according to the prior art
  • Figure 2 is a graph of force amplitude versus frequency of the graph of Figure 1;
  • Figure 3 is a perspective schematic representation of a blade ring
  • Figure 4 is a perspective schematic view of an electromagnetic vibration exciter according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic cross section of the electromagnetic vibration exciter according to the invention
  • Figure 6 is a schematic plan view of a base ring of the electromagnetic vibration exciter according to the invention.
  • Figure 7 is a diagram of the magnetic attraction force over the circumferential angle for a first profile of the iron core of the electromagnetic vibration exciter according to the invention.
  • Figure 8 is a graph of magnetic attraction over the circumferential angle for a second
  • Figure 9 is a diagram of the magnetic attraction force over the circumferential angle for a third profile of the iron core of the electromagnetic vibration exciter according to the invention.
  • Figure 10 is a diagram of the magnetic attraction force over the circumferential angle for a fourth profile of the iron core of the electromagnetic vibration exciter according to the invention.
  • Figure 11 is a graph of magnetic attraction over the circumferential angle for a fifth
  • FIG. 1 shows a diagram of the magnetic force over the circumferential angle ⁇ in a permanent magnet excitation according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a diagram of the force amplitude over the frequency of the diagram of FIG. 1.
  • FIG 3 shows a perspective schematic representation of a blade ring 2, which can also be referred to as blading.
  • a blade ring 2 can be used in units such as gas turbines, steam turbines or aircraft engines to effect a power transmission between a rotating or rotatable shaft of the unit and a working medium.
  • the blade ring 2 is rotationally symmetrical to the axis of the vertical direction Z, which can also be referred to as height Z.
  • the radial direction r which is perpendicular to the Axis of the vertical direction Z extends away, the blade ring 2 centered on a blade body 20, with which the blade ring 2 can be attached to the unit.
  • Radially outwardly extends a plurality of identically constructed and aligned blades 21, which are in operation in contact with the working fluid. These are in the circumferential direction U, which is oriented perpendicular to the radial direction r, evenly distributed and evenly spaced from each other. In the circumferential direction U, the circumferential angle ⁇ extends about the axis of the vertical direction Z.
  • FIG. 4 shows a perspective schematic view of an electromagnetic vibration exciter 1 according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic cross section of the electromagnetic vibration exciter 1 according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of a base ring 10 of the electromagnetic vibration exciter 1 according to the invention.
  • the electromagnetic vibration exciter 1 has a base ring 10, which is U-shaped upwardly open.
  • the base ring 10 forms a radially inner leg 10a and a radially outer leg 10b, which respectively project vertically upwards and radially form an inner space 10c of the base ring 10 between them.
  • Innerhal b of the interior 10c is a field coil 15 of a plurality of turns copper enamelled wire arranged, see Figure 5, the electrical connections (not shown) via a bushing 12 led to the outside and there with a power supply (not shown) can be connected as a voltage source.
  • an inner profile ring 13 is arranged, which extends the first leg 10a in the height Z upwards.
  • a corresponding outer profile ring 14 is disposed on the outer leg 10b.
  • the base ring 10, the inner profile ring 13 and the outer profile ring 14 together form the iron core 10, 13, 14 of the electromagnetic vibration exciter 1 and are therefore made of a ferromagnetic material with high permeability permeability.
  • the two profile rings 13, 14 each terminate with an upper side 13a, 14a upwards, which together form the upper side 13a, 14a of the iron core 10, 13, 14 at the height Z.
  • the two profile rings 13, 14 are formed annularly closed in the circumferential direction U while the base ring 10 is interrupted by the passage 12.
  • the blades 21 of the blade ring 2 are arranged, see Figure 5, so that the upper sides 13a, 14a of the iron core 10, 13, 14 are arranged in the circumferential direction U perpendicular to the blades 21 , Between the upper sides 13a, 14a of the iron core 10, 13, 14 and the blades 21 and their undersides there is a distance d (ö), which is also referred to as
  • Air gap d (ö) can be designated.
  • the magnetic field lines which are generated by the field coil 15 in operation, thus flow from the base ring 10 through, for example, its inner leg 10a in the inner profile ring 13, on the top 13a they exit into the air gap d (ö). From there, the magnetic field lines enter the blades 21 and flow radially outwardly through the blades 21 through to exit above the outer profile ring 14 in the air gap d (ö) formed there. About this air gap d (ü) enter the magnetic field lines on the top 14a of the outer profile ring 14 in this and from there into the base ring 10 again, so that close the magnetic field lines.
  • the two profile rings 13, 14 are closed annularly, so that a magnetic attraction force F in the circumferential direction U can act uninterruptedly on the blades 21. As a result, gradients and the resulting heating of the blades 21 can be avoided.
  • the two profile rings 13, 14 are formed with a height h (ö) of their upper side 13a, 14a varying over the circumference U or over the circumferential angle, so that the distance d (ö) or air gap d (ö This can also be seen in the figure 4 by the perspective view, so that there a minimum 16 of the height h (ö) and a maximum 17 of the height h (ö) are marked.
  • the distance d ( ⁇ ) or the air gap d ( ⁇ ) over the circumferential angle ⁇ can be varied accordingly, resulting in an influence on the magnetic attraction force F ( ⁇ ) over the circumferential angle ⁇ results.
  • the profile rings 13, 14 are designed to be removable in order to realize different courses of the height h (ö) on one and the same base ring 10 can.
  • the profile rings 13, 14 can be placed from above on the base ring 10 and also removed again upwards. Both for holding and for alignment in the radial direction r and in the circumferential direction U, each profile ring 13, 14 on its underside a pair of diametrically opposed recesses in the form of two holes (not shown), in each of which a centering pin are added can (not shown).
  • the base ring 10 has at its top the corresponding four
  • Figures 7 to 12 each show a diagram of the magnetic attraction F (ö) over the circumferential angle ⁇ for a first to sixth profile of the iron core 10, 13, 14 of the electromagnetic vibrator according to the invention 1.
  • F (ö ) continuous magnetic attraction forces
  • Figure 8 shows e.g. a Fourier series in the form of the superposition of several harmonic functions with different frequencies. But they are also unsteady
  • Figure 9 shows discrete occurrences that follow a harmonic function.
  • FIG. 10 shows the profile which results from a random surface profile.
  • FIG. 11 shows a single sawtooth as the course.
  • Figure 12 shows two phase shifted
  • the resulting magnetic field is continuous with the choice of a corresponding course of the upper sides 13a, 14a of the profile rings 13, 14 over the circumference U and has no strong gradients.
  • the above-mentioned very strong heating of the blades 21 is avoided by the excitation with individual magnets also.
  • the present invention can be used in addition to university research in the industrial design process, for example, the turbine manufacturer.
  • the calculation programs which is better with the present invention, it is possible in the future to design real-made coatings 2 in a more reliable and time-efficient manner.
  • the higher accuracy in the design process can lead to better properties of the blades 21, ultimately increasing the efficiency of the turbine or engine.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schwingungsanreger (1) zur Schwingungsanregung der Schaufeln (21) eines Schaufelkranzes (2) mit wenigstens einem Eisenkern (10, 13, 14), welcher zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Umfangsrichtung (U) über einen Umfangswinkel (ϑ) ringförmig ausgebildet ist, wobei der Eisenkern (10, 13, 14) ferner ausgebildet ist, in Umfangsrichtung (U) senkrecht zu den Schaufeln (21) angeordnet zu werden, so dass wenigstens eine Oberseite (13a, 14a) des Eisenkreises (10, 13, 14) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen Abstand (d(ϑ)) in der Höhe (Z) zu den Schaufeln (21) aufweist, und mit wenigstens einer Feldspule (15), welche ausgebildet ist, elektrisch versorgt zu werden und ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches zumindest abschnittsweise durch den Eisenkern (10, 13, 14) hindurch, durch die Schaufeln (21) hindurch und über den Abstand (d(ϑ)) verläuft, wobei der Abstand (d(ϑ)) über den Umfangswinkel (ϑ) wenigstens eine Veränderung in der Höhe (Z) aufweist.

Description

BESCHREIBUNG
Elektromagnetischer Schwingungsanreger zur Schwingungsanregung der Schaufeln eines
Schaufelkranzes
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schwingungsanreger zur Schwingungsanregung der Schaufeln eines Schaufelkranzes gemäß des Patentanspruchs 1.
Bei Aggregaten wie beispielsweise Gasturbinen, Dampfturbinen oder Flugtriebwerken werden Schaufeln eingesetzt, um eine Kraftübertragung zwischen einer rotierenden bzw. rotierbaren Welle des Aggregats und einem Arbeitsmedium zu bewirken. Diese Schaufeln des Aggregats können zusammen auch als Schaufelkranz oder als Beschaufelung bezeichnet werden. Je nach o.g. Anwendungsfall kann man z.B. von Turbinen-, Stator- oder Verdichterlaufschaufeln sprechen.
Im Betrieb können die einzelnen Schaufeln der Beschaufelung zu Schwingungen angeregt werden. Die Anregung kann durch Inhomogenitäten in der Anströmung mit dem Arbeitsmedium wie z.B. der Luft erfolgen. Die entstehenden Schwingungen können sich negativ auf die Lebensdauer der Schaufeln auswirken, da durch lange Belastungsdauern Risse entstehen können, welche letztendlich zu einem Ermüdungsbruch der einzelnen Schaufeln führen können. Ebenso kann durch eine kurzzeitige
Überlastung mit sehr hohen Schwingamplituden ein Gewaltbruch einer einzelnen Schaufel auftreten. Beide Arten von Brüchen wenigstens einer einzelnen Schaufel können in der Regel zum Versagen des gesamten Aggregats führen.
Um derartige Brüche zu vermeiden, können die Schaufeln einer Beschaufelung entsprechend robust ausgelegt werden, so dass sie den o.g. Schwingungen dauerhaft und auch bei kurzzeitigen starken Belastungen standhalten können. Hierzu ist es für die Auslegung der Schaufeln der Beschaufelung erforderlich, das Schwingverhalten der Schaufeln unter Strömungsanregung möglichst genau zu kennen. Zur Auslegung des Schwingverhaltens von z.B. Turbinenbeschaufelungen werden neben numerischen Simulationen auch experimentelle Versuche durchgeführt. Diese dienen maßgeblich zur Validierung der entwickelten Berechnungsprogramme. Mit anderen Worten wird das Ergebnis der numerischen Simulation unter bestimmten Randbedingungen mit den Messergebnissen eines experimentellen Versuches unter denselben Randbedingungen verglichen und das numerische Simulationsprogramm entsprechend angepasst, damit die Simulationsergebnisse möglichst gut den Messergebnissen entsprechen. Dann kann davon ausgegangen werden, dass mittels des numerischen Simulationsprogramms die realen Bedingungen der Anwendung ausreichend genau nachgebildet werden können, so dass mittels des numerischen Simulationsprogramms eine Auslegung einer Beschaufelung erfolgen kann, welche den realen Bedingungen standhalten kann. Die Beschaufelung wird hierzu üblicherweise im experimentellen Versuch durch eine Kraftanregung in einen möglichst definierten Schwingungszustand versetzt. Der Vergleich mit den Ergebnissen eines numerischen Simulationsprogramms lässt sich so leicht vollziehen, indem eine Simulation mit dersel ben Kraftanregung durchgeführt wird.
Als experimenteller Versuch ist ein experimenteller Versuch unter realer Anströmung in einem
Schleuderbunker oder an einem realen Aggregat hierfür ungünstig, da ein derartiger experimenteller Versuch mit einem hohen Kostenaufwand verbunden und mit hohen Unsicherheiten behaftet sein kann sowie kritische Betriebszustände oftmals nicht betrachtet werden können.
Daher zielen Konzepte zur Anregung von rotierenden Beschaufelungen mittels experimenteller
Versuche allgemein darauf ab, ein Anregungskraftprofil zu erzeugen, welches nur bestimmte Anregungs- frequenzen EO; enthält, um den o.g. definierten Anregungszustand der Beschaufelung zu erzeugen. Das Anregungskraftprofil einer Beschaufelung ist in vielen Fällen periodisch über ihren Umfang. Es lässt sich damit durch eine Fourierreihe beschreiben, welche den räumlichen Kraftverlauf über den Umfang des Schaufelkranzes beschreibt. Dieser räumliche Kraftverlauf besteht aus einer Summe von harmonischen Termen mit einer Anregungsfrequenz EO; und einer Phasenlage phL Eine weit verbreitete Variante zur Anregung einer rotierbaren Beschaufelung besteht darin, gehäusefeste Permanentmagnete unterhal b der Schaufeln der Beschaufelung zu montieren, die jede Schaufel anziehen, wenn diese den Permanentmagneten passiert. Dabei können ein oder mehrere Permanentmagnete über den Umfang angeordnet sein. Die rotierende Beschaufelung wird dann im Betrieb durch Kraftpulse angeregt, die durch die Permanentmagnete erzeugt werden, wenn eine Schaufel der Beschaufelung einen Permanentmagneten passiert. Dabei wirken auf jede Schaufel pro Umdrehung so viele Kraftpulse wie einzelne Permanentmagnete angeordnet sind. Die grundharmonische Anregungsfrequenz EOi entspricht damit der Anzahl der Magnete, falls diese äquidistant angeordnet sind.
Um das Problem zu verdeutlichen, soll beispielhaft ein Schaufelkranz betrachtet werden, welcher mit einem Kraftverlauf der Anregungsfrequenz E01 = 4 entsprechend angeregt wird. Figur 1 zeigt den normierten Verlauf der idealisierten Anregungskraft, die eine einzelne Schaufel einer Beschaufelung während eines Umlaufs über vier Permanentmagnete erfährt. Die Einzelimpulse sind in erster Näherung als Rechtecksignale über den Umfangswinkel ü modelliert. Figur 2 zeigt dieses Signal im Frequenzbereich. Neben dem nicht-störenden konstanten Term EO0 = 0 ist deutlich die gewünschte Anregungsfrequenz EO : = 4 enthalten. Nur unwesentlich schwächer ausgeprägt ist jedoch die erste Oberwelle E02 = 8, welche einen Störterm bildet. Alle höheren Oberwellen E03 etc. nehmen nur langsam in ihrer Amplitude ab. Diese Form der Anregung hat somit den Nachteil, dass die Oberwellen E02 etc. die Schaufeln zu Schwingungen anregen, welche die zu untersuchende Schwingform der gewünschten Anregungsfrequenz EO, = 4 stören können.
Ebenfalls ist in der Figur 2 zu erkennen, dass ein Großteil der bereitgestellten Energie in die höheren Anregungsfrequenzen E02 etc. abfließt, die nicht mehr zur Anregung der gewünschten Anregungsfrequenz EOi zur Verfügung steht. Damit müssen starke Permanentmagnete eingesetzt werden und zwar umso stärker, je weniger Permanentmagnete verwendet werden. Die Verwendung weniger, starker Permanentmagnete stellt jedoch eine große Belastung der einzelnen Schaufeln dar. Der tatsächliche Anregungskraftverlauf stellt keine ideale Rechteckfunktion wie in Figur 1 dargestellt dar. Dennoch bleibt das grundsätzliche Problem auch bei einem realen Verlauf der Anregungskraft erhalten, auch wenn die Amplituden der Oberwellen E02 etc. im Vergleich zur grundharmonischen Anregungs- frequenz EO-, abnehmen.
Die Anregung des rotierenden Schaufelkranzes kann anstatt mit Permanentmagneten auch durch Elektromagnete erfolgen. Für nichtmagnetische Schaufelmaterialien kann die Anregung im rotierenden System ebenfalls mit Magneten erfolgen. Die erläuterte grundsätzliche Problematik der stoßartigen Anregung und der dadurch entstehenden unerwünschten Anregungsfrequenzen E02 etc. liegt üblicher- weise auch bei diesen Varianten vor.
In Verbindung mit der Verwendung von Elektromagneten kann die stoßartige Anregung vollständig vermieden werden, indem ein nicht-rotierender Schaufelkranz verwendet wird. Bei dieser Variante steht eine Schaufel immer über demselben Elektromagneten. Die Verwendung eines nicht-rotierenden Prüfstands hat allerdings den Nachteil, dass dynamische Effekte wie„spin softening" und„stress stiffening" nicht bzw. nur unter größtem Aufwand erzeugt werden können. Ebenso können Dämpfungsstrukturen wie Unterplattformdämpfer und Shroudkopplung durch die fehlende Zentripetalbeschleunigung nicht realitätsnah verwendet werden. Daher sind insbesondere zur Auslegung von Schaufelkränzen mit dämpfenden Strukturen die zuvor beschriebenen Versuchsstände mit rotierenden Schaufeln als Versuchsträgern zu bevorzugen. Nachteilig ist bei den Versuchsständen mit rotierenden Schaufeln bzw. mit rotierendem Schaufelkranz jedoch, dass sich für die Anregung mit einzelnen (Permanent- oder Elektro-) Magneten eine
unerwünschte Erwärmung der Schaufeln ergeben kann. Diese entsteht durch Wirbelströme, die in den Schaufeln bei der Bewegung durch ein sich räumlich änderndes Magnetfeld unweigerlich entstehen. Diese Wirbelströme können bis zum Schmelzen der Schaufelspitzen führen. Diese Wirbelströme sind umso stärker, je unstetiger das Magnetfeld im Raum ist. Die Tatsache, dass die Schaufeln durch die einzelnen Magnete einem Magnetfeld mit großen Gradienten ausgesetzt sind, führt daher zu starken Wirbelströmen.
Neben den zuvor beschriebenen Anregungskonzepten gibt es weiterhin Anregungskonzepte, die auf Fluidkräften basieren, welche durch Luft- oder Ölstrahlen erzeugt werden. Bei derartigen Versuchsständen lassen sich jedoch die Anregungskräfte, die auf die einzelnen Schaufeln wirken, nicht so genau und reproduzierbar einstellen wie bei einer magnetischen Anregung, weshalb dieses Anregungskonzept üblicherweise zu bevorzugen ist.
Die DE 43 34 799 AI betrifft eine Einrichtung zur Prüfung von Laufschaufeln einer Turbomaschine, insbesondere einer Turbine, mit einem motorisch angetriebenen, drehbar gelagerten Wellenstrang, auf dem eine Radscheibe drehfest angeordnet ist, an der die Laufschaufeln lösbar verankert sind. Sämtliche Laufschaufeln sind beheizbar. Ferner ist eine elektromagnetische Schütteleinrichtung vorgesehen, mit der den Laufschaufeln über den rotierenden Wellenstrang Schwingungen aufgeprägt werden können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Schwingungsanreger zur Schwingungsanregung der Schaufeln eines Schaufelkranzes der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, so dass die erläuterten Oberwellen E02 etc. im Anregungskraftprofil eliminiert oder zumindest derart reduziert werden können, sodass die Anregung der Beschaufelung möglichst nur mit erwünschten Frequenzen erfolgen kann. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten derartigen elektromagnetischen Schwingungsanregern geschaffen werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektromagnetischen Schwingungsanreger zur
Schwingungsanregung der Schaufeln eines Schaufelkranzes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen elektromagnetischen Schwingungsanreger zur
Schwingungsanregung der Schaufeln eines Schaufelkranzes mit wenigstens einem Eisenkern, welcher zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Umfangsrichtung über einen Umfangs- winkel ϋ ringförmig ausgebildet ist. Hierdurch können grundsätzlich, wie weiter unten noch im Detail erläutert wird, Unstetigkeiten des Magnetfeldes vermieden oder zumindest gegenüber einer Anordnung einzelner Magnete reduziert werden, um die durch die einzelnen Magneten hervorgerufene Erwärmung der Schaufeln zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Der Eisenkern ist ferner ausgebildet, in Umfangsrichtung senkrecht zu den Schaufeln angeordnet zu werden, so dass wenigstens eine Oberseite des Eisenkreises zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen Abstand in der Höhe zu den Schaufeln aufweist. Dieser Abstand kann auch als Luftspalt bezeichnet werden, wie es bei magnetischen Kreisen üblich ist. Unter der Oberseite des Eisenkreises wird dabei die Seite verstanden, welche zum Abstand bzw. zum Luftspalt hin zeigt.
Der elektromagnetische Schwingungsanreger weist auch wenigstens eine Feldspule auf, welche ausgebildet ist, elektrisch versorgt zu werden und ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches zumindest abschnittsweise durch den Eisenkern hindurch, durch die Schaufeln hindurch und über den Abstand verläuft. Die Feldspule kann vorzugsweise aus mehreren Windungen Kupferlackdraht bestehen, deren Enden nach außen geführt und an eine Spannungsquelle angeschlossen werden können. Die Feldspule kann mittels der Spannungsquelle mit Gleichspannung oder mit Wechselspannung betrieben werden. Mit anderen Worten kann mittels der elektrischen Feldspule ein magnetischer Kreis von dem Eisenkern über den Luftspalt in die Schaufeln und von dort über den Luftspalt an anderer Stelle wieder in den Eisenkern zurück geschlossen werden. Der Abstand bzw. der Luftspalt weist dabei über den Umfangswinkel ϋ wenigstens eine Veränderung in der Höhe auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Anziehungskraft eines Elektromagneten neben den Parametern der Feldspule wie z.B. Durchmesser, Windungszahl und Spulenstrom auch maßgeblich vom Abstand der anzuziehenden Struktur, hier der Schaufeln, vom Eisenkern abhängt. Es gilt für die Anziehungskraft eines einfachen Elektromagneten: r = vi
Hierbei ist Um die magnetische Spannung, μ0 die magnetische Feldkonstante, A die Querschnittsfläche des magnetischen Kreises, d.h. hier die Oberfläche des Eisenkerns, und R,n der magnetische Widerstand des Magnetkreises. Die magnetische Spannung Um kann durch die Feldspule erzeugt werden, welche ihrerseits maßgeblich zur Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft F beitragen kann.
Der magnetische Widerstand des Magnetkreises R,n kann, unter Vernachlässigung des magnetischen Widerstands R,n des Eisenkerns, als
_ 2d
angegeben werden, d bezeichnet dabei den Abstand der anzuziehenden Struktur, d.h. der Schaufeln, vom Eisenkern. Kombiniert man diese beiden Gleichungen miteinander, so wird deutlich, dass die magnetische
Anziehungskraft F, welche zwischen der Oberfläche des Eisenkerns und den Schaufeln wirkt, umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands, d.h. zum Luftspalt, ist: 1
Dabei ist es bisher bei den zuvor beschriebenen experimentellen Versuchen bzw. deren elektromagnetischen Schwingungsanregern bekannt, dass diese zum einen einzelne Magnete aufweisen, welche in Umfangsrichtung angeordnet und zueinander beabstandet sind. Einen Eisenkern, welcher zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Umfangsrichtung über einen Umfangswinkel ϋ ringförmig ausgebildet ist, ist bisher nicht bekannt.
Ferner werden die einzelnen Magnete bisher mit identischen Abständen gegenüber den Schaufeln angeordnet, so dass sich in Umfangsrichtung betrachtet ein konstanter Luftspalt über die gesamte Erstreckung der Schaufeln bzw. des elektromagnetischen Schwingungserregers ergibt. Im Gegensatz hierzu weist der Abstand bzw. der Luftspalt erfindungsgemäß über den Umfangswinkel ϋ wenigstens eine Veränderung in der Höhe auf. Hierdurch kann die Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft in Abhängigkeit des Umfangswinkels ϋ derart beeinflusst werden, so dass die erläuterten Oberwellen E02 etc. im Anregungskraftprofil eliminiert oder zumindest reduziert werden können. Hierdurch kann die Anregung der Schaufeln des Schaufelkranzes möglichst nur mit der erwünschten grundharmonischen Anregungsfrequenz EO, erfolgen.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß ein winkelabhängiger Abstand d(ö) bzw. Luftspalt d(ö) geschaffen, welcher gegenüber dem bisher bekannten konstanten Abstand h0, der hier ein beliebig wählbarer Nullabstand h0 sein kann, mit der Höhe h(ö) des Eisenkerns wie folgt im Zusammenhang steht: d( ) = h0 - h( )
Soll eine sinusförmige magnetische Anziehungskraft als Beispiel einer stetigen harmonischen magnetischen Anziehungskraft
Figure imgf000008_0001
angeregt werden, so ist erfindungsgemäß der über den Umfangswinkel θ veränderliche Verlauf der Höhe h(ö) des Eisenkerns und damit des Abstands d(ö) bzw. Luftspalts d(ö) gegenüber den Schaufeln zu
auszulegen. Hierbei ist α eine Konstante, welche die übrigen Einflussparameter der allerersten Gleichung, siehe weiter oben, berücksichtigt. Vorzugsweise ist es ebenfalls möglich, anstatt die Schaufeln mit nur einer Frequenz anzuregen, mehrere interessierende Frequenzen gleichzeitig anzuregen. Dazu ist lediglich der Verlauf der Höhe h(ö) für einen Kraftverlauf auszulegen, der als eine Kombination von Sinustermen mehrerer Frequenzen gebildet wird. Der Verlauf der Höhe h(ö) kann ebenfalls für weitere, beliebige Anregungsformen ausgelegt werden, welche nicht nur sinus- oder kosinusförmig sein müssen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Abstand über den Umfangswinkel ϋ eine Mehrzahl von Veränderungen in der Höhe auf. Hierdurch können die Gestaltungsfreiheiten zur Variation der magnetischen Anziehungskraft über den Abstand weiter erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Veränderung bzw. sind die Verände- rungen in der Höhe in der Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, stetig. Hierdurch kann eine harmonische Anregung ermöglicht werden, welche den definierten
Testanregungen, die es experimentell nachzustellen gilt, möglichst nahe kommen kann. Ferner können die zuvor beschriebenen Wirbelströme, welche aus Unstetigkeiten resultieren können, vermieden werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Abstand über den Umfangswinkel ϋ zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen harmonischen Verlauf in der Höhe auf. Hierdurch kann eine harmonische Anregung der magnetischen Anziehungskraft sichergestellt werden, was aus den zuvor bereits beschriebenen Gründen vorteilhaft sein kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung entspricht der Abstand über den Umfangs- winkel ϋ zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Höhe einem Verlauf einer fouriertransformierbaren Funktion. Auf diese Art und Weise können alle fouriertransformierbaren Funktionen verwendet werden, was den Gestaltungspielraum zur Umsetzung der zuvor beschriebenen Erkenntnis deutlich erhöhen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Veränderung bzw. sind die Verände- rungen in der Höhe in der Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, sprungartig. Hierdurch können alternative Anregungen im Vergleich zu stetigen Verläufen geschaffen werden. Beispielsweise lassen sich so Anregungen nachstellen, wie sie in der Realität durch den Nachlauf der Leitschaufeln eines Flugtriebwerks auftreten können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Eisenkern U-förmig ausgebildet, so dass von dem Eisenkern ein nach oben offener Innenraum gebildet wird, wobei die Feldspule innerhalb des Innenraums angeordnet ist. Dies ermöglicht einen kompakten elektromagnetischen Schwingungsanreger, welcher in einem entsprechenden Versuchsstand senkrecht zu den Schaufeln bzw. zu den Schaufelspitzen angeordnet und betrieben werden kann. Der magnetische Kreis kann dabei von der Feldspule durch den einen Schenkel des U-Profils und den darüber liegenden Abstand bzw. Luftspalt in die Schaufeln gelangen und von dort über den anderen Abstand und den anderen Schenkel des U-Profils zur Feldspule zurück. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Eisenkern einen Basisring mit einem radial inneren Schenkel und einem radial äußeren Schenkel auf, wobei die beiden Schenkel den Innenraum radial beidseitig begrenzen, und der Eisenkern weist einen inneren Profilring, welcher auf dem radial inneren Schenkel des Basisrings angeordnet ist, und einen äußeren Profilring auf, welcher auf dem radial äußeren Schenkel des Basisrings angeordnet ist, wobei die Oberseite des inneren Profilrings und bzw. oder die Oberseite des äußeren Profilrings die Oberseite des Eisenkerns bildet bzw. bilden. Auf diese Art und Weise kann der erfindungsgemäße elektromagnetische Schwingungsanreger dadurch realisiert werden, dass ein stets gleicher Basisring als Grundelement verwendet wird, welcher U -form ig ausgebildet ist und die Feldspule in seinem Innenraum aufnimmt, wie zuvor bereits beschrieben. Dieses Grundelement kann dann je nach Anwendungsfall durch entsprechend ausgebildete Profilringe an die gewünschte Anregungsform abgepasst werden.
Somit können die beiden Profilringe jeweils ein Profil aufweisen, welches durch die Veränderung seiner Höhe und damit des Abstands über den Umfangswinkel ϋ die gewünschte magnetische Anziehungskraft erzeugen kann. Hierdurch kann das Grundelement einmalig oder durch den Austausch der Profilringe mehrmalig auf unterschiedliche Anregungsverläufe angepasst und hierfür verwendet werden. Mit anderen Worten kann für jede Anregungsfrequenz oder Kombination aus Anregungsfrequenzen ein neuer Satz Profilringe bereitgestellt werden, durch dessen Verwendung der Basisring angepasst werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bzw. sind der innere Profilring und bzw. oder der äußere Profilring austauschbar auf dem Basisring angeordnet. Hierdurch kann, wie zuvor bereits erwähnt, eine flexible Anpassung des Basisrings als Grundelement an verschiedene
Anwendungsfälle erfolgen, indem lediglich die Profilringe ausgetauscht werden müssen. Dies kann die Herstellung und Lagerung von einstückigen Eisenkernen mit verschiedenen Abstandsverläufen über den Umfangswinkel ϋ vermeiden, wodurch die Kosten zur Nutzung der vorliegenden Erfindung deutlich reduziert werden können. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen die Oberseiten der Profilringe über den Umfangswinkel ϋ zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, den gleichen oder einen unterschiedlichen Verlauf auf. Wird, was zu bevorzugen ist, der gleiche Verlauf der Abstände für die beiden Profilringe gewählt, so sind diese Verläufe bzw. die hierdurch bewirkten Anregungen in Phase zueinander. Werden jedoch als weitere Möglichkeit zur Nutzung der vorliegenden Erfindung Profilringe mit gleichen jedoch in Umfangsrichtung versetzt angeordneten Verläufen der Höhe verwendet, kann eine Anregung mit unterschiedlichen Kraftamplituden der beiden Profilringe erfolgen. Alternativ können auch unterschiedliche Verläufe der Höhen miteinander kombiniert eingesetzt werden, was weitere Gestaltungsmöglichkeiten schaffen kann. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Eisenkern in der Umfangsrichtung bis auf eine Durchführung der elektrischen Anschlüsse der Feldspule ringförmig geschlossen und die Profilringe in der Umfangsrichtung sind durchgehend ringförmig geschlossen. Hierdurch kann im unteren Bereich des Basisrings, dessen magnetischer Fluss nicht direkt in den Abstand übergeht, eine Durchführung der elektrischen Anschlüsse der Feldspule erfolgen, um diese innerhalb des U-förmigen Profils des Basisrings anordnen und dennoch elektrisch versorgen zu können. Gleichzeitig kann der Eisenkern im Bereich der beiden Profilringe, welche direkt an den Abstand zu den Schaufeln grenzen, durchgehend in Umfangsrichtung geschlossen ausgeführt werden, um einen durchgehenden und ununterbrochenen magnetischen Fluss zwischen dem Eisenkern und den Schaufeln zu erreichen. Hierdurch können starke Gradienten, welche sich aus Unstetigkeiten des Magnetfeldes ergeben und zu Erwärmungen der Schaufeln führen können, vermieden oder zumindest reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Profilringe formschlüssig, vorzugsweise jeweils durch eine Steckverbindung, und bzw. oder kraftschlüssig, vorzugsweise jeweils durch zumindest ein Paar von Zentrierstiften, auf den Schenkeln des Basisrings gehalten. Hierdurch kann ein einfacher aber dennoch sicherer Halt ermöglicht werden, welcher gleichzeitig wieder zerstörungsfrei aufgehoben werden kann, falls die Profilringe ausgetauscht werden sollen, wie zuvor beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Profilringe in der radialen Richtung und bzw. oder in der Umfangsrichtung definiert auf den Schenkeln des Basisrings, vorzugsweise jeweils durch zumindest ein Paar von Zentrierstiften, positioniert. Hierdurch kann zum einen eine Positionierung in der radialen Richtung erfolgen, um die beiden Profilringe gegenüber der Achse der vertikalen Richtung des elektromagnetischen Schwingungsanregers auszurichten. Mit anderen Worten kann hierdurch eine radiale Zentrierung der beiden Profilringe erreicht werden. Zum anderen kann eine Ausrichtung der beiden Profilringe in der Umfangsrichtung gegeneinander erfolgen, um einen gewünschten Phasenversatz zu realisieren bzw. um einen Phasenversatz zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist bzw. weisen der innere Profilring und bzw. oder der äußere Profilring ein ferromagnetisches Material mit hoher Permeabilität auf, vorzugsweise besteht bzw. bestehen diese aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität. Hierdurch kann das magnetische Feld möglichst wirkungsvoll geleitet bzw. geführt werden. Mehrere Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
Figur 1 ein Diagramm der magnetischen Kraft über den Umfangswinkel bei einer permanentmagnetischen Anregung gemäß des Standes der Technik;
Figur 2 ein Diagramm der Kraftamplitude über der Frequenz des Diagramms der Figur 1;
Figur 3 eine perspektivische schematische Darstellung eines Schaufelkranzes;
Figur 4 eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
Figur 5 einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungs- anregers;
Figur 6 eine schematische Draufsicht auf einen Basisring des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
Figur 7 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein erstes Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
Figur 8 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein zweites
Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers; Figur 9 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein drittes Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
Figur 10 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein viertes Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers;
Figur 11 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein fünftes
Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers; und Figur 12 ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft über den Umfangswinkel für ein sechstes
Profil des Eisenkerns des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers. Figur 1 zeigt ein Diagramm der magnetischen Kraft über den Umfangswinkel θ bei einer permanentmagnetischen Anregung gemäß des Standes der Technik. Figur 2 zeigt ein Diagramm der Kraftamplitude über der Frequenz des Diagramms der Figur 1. Diese Figuren bzw. deren Diagramme wurden eingangs bereits erläutert, so dass dies hier nicht wiederholt werden soll.
Figur 3 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines Schaufelkranzes 2, welcher auch als Beschaufelung bezeichnet werden kann. Ein derartiger Schaufelkranz 2 kann bei Aggregaten wie z.B. Gasturbinen, Dampfturbinen oder Flugtriebwerken eingesetzt werden, um eine Kraftübertragung zwischen einer rotierenden bzw. rotierbaren Welle des Aggregats und einem Arbeitsmedium zu bewirken. Der Schaufelkranz 2 ist rotationssymmetrisch zu der Achse der vertikalen Richtung Z, welche auch als Höhe Z bezeichnet werden kann. In der radialen Richtung r, welche sich senkrecht von der Achse der vertikalen Richtung Z weg erstreckt, weist der Schaufelkranz 2 mittig einen Schaufelkörper 20 auf, mit dem der Schaufelkranz 2 an dem Aggregat befestigt werden kann. Radial nach außen erstreckt sich eine Vielzahl von identisch aufgebauten und ausgerichteten Schaufeln 21, welche im Betrieb in Kontakt mit dem Arbeitsmedium stehen. Diese sind in der Umfangsrichtung U, welche senkrecht zur radialen Richtung r orientiert ist, gleichmäßig verteilt und gleichmäßig zueinander beabstandet. In der Umfangsrichtung U erstreckt sich der Umfangswinkel ϋ um die Achse der vertikalen Richtung Z.
Figur 4 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers 1. Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers 1. Figur 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Basisring 10 des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers 1.
Der elektromagnetische Schwingungsanreger 1 weist einen Basisring 10 auf, welcher U-förmig nach oben offen ausgebildet ist. Der Basisring 10 bildet einen radial inneren Schenkel 10a und einen radial äußeren Schenkel 10b aus, welche jeweils senkrecht nach oben ragen und radial zwischen sich einen Innenraum 10c des Basisrings 10 ausbilden. Innerhal b des Innenraums 10c ist eine Feldspule 15 aus mehreren Windungen Kupferlackdraht angeordnet, siehe Figur 5, deren elektrische Anschlüsse (nicht dargestellt) über eine Durchführung 12 nach außen geführt und dort mit einem Netzteil (nicht dargestellt) als Spannungsquelle verbunden werden können.
Auf dem inneren Schenkel 10a des Basisrings 10 ist ein innerer Profilring 13 angeordnet, welcher den ersten Schenkel 10a in der Höhe Z nach oben verlängert. Ein entsprechender äußerer Profilring 14 ist auf dem äußeren Schenkel 10b angeordnet. Der Basisring 10, der innere Profilring 13 und der äußere Profilring 14 bilden gemeinsam den Eisenkern 10, 13, 14 des elektromagnetischen Schwingungsanregers 1 und sind daher aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permea bilität ausgebildet. Die beiden Profilringe 13, 14 schließen jeweils mit einer Oberseite 13a, 14a nach oben hin ab, welche gemeinsam die Oberseite 13a, 14a des Eisenkerns 10, 13, 14 in der Höhe Z bilden. Die beiden Profilringe 13, 14 sind in Umfangsrichtung U ringförmig geschlossen ausgebildet während der Basisring 10 durch die Durchführung 12 unterbrochen wird.
Oberhalb der Oberseiten 13a, 14a des Eisenkerns 10, 13, 14 sind die Schaufeln 21 des Schaufelkranzes 2 angeordnet, siehe Figur 5, so dass die Oberseiten 13a, 14a des Eisenkerns 10, 13, 14 in Umfangsrichtung U senkrecht zu den Schaufeln 21 angeordnet sind. Zwischen den Oberseiten 13a, 14a des Eisenkerns 10, 13, 14 und den Schaufeln 21 bzw. deren Unterseiten besteht ein Abstand d(ö), welcher auch als
Luftspalt d(ö) bezeichnet werden kann. Die magnetischen Feldlinien, welche durch die Feldspule 15 im Betrieb erzeugt werden, fließen somit vom Basisring 10 durch z.B. dessen inneren Schenkel 10a in den inneren Profilring 13, über dessen Oberseite 13a sie in den Luftspalt d(ö) austreten. Von dort treten die magnetischen Feldlinien in die Schaufeln 21 ein und fließen radial nach außen durch die Schaufeln 21 hindurch, um oberhalb des äußeren Profilrings 14 in den dort gebildeten Luftspalt d(ö) auszutreten. Über diesen Luftspalt d(ü) treten die magnetischen Feldlinien über die Oberseite 14a des äußeren Profilrings 14 in diesen und von dort in den Basisring 10 wieder ein, so dass sich die magnetischen Feldlinien schließen. Erfindungsgemäß sind zum einen die beiden Profilringe 13, 14 ringförmig geschlossen, so dass eine magnetische Anziehungskraft F in Umfangsrichtung U ununterbrochen auf die Schaufeln 21 wirken kann. Hierdurch können Gradienten und die hierdurch hervorgerufenen Erwärmungen der Schaufeln 21 vermieden werden.
Erfindungsgemäß sind zum anderen die beiden Profilringe 13, 14 mit einer über den Umfang U bzw. über den Umfangswinkel ϋ variierenden Höhe h(ö) ihrer Oberseite 13a, 14a ausgebildet, so dass auch der Abstand d(ö) bzw. Luftspalt d(ö) variiert, siehe Figur 5. Dies ist auch in der Figur 4 durch die perspektivische Darstellung zu erkennen, so dass dort ein Minimum 16 der Höhe h(ö) und ein Maximum 17 der Höhe h(ö) gekennzeichnet sind. Durch diese Veränderung der Höhe h(ö) über den Umfangswinkel ϋ kann der Abstand d(ö) bzw. der Luftspalt d(ö) über den Umfangswinkel ϋ entsprechend variiert werden, woraus eine Beeinflussung der magnetischen Anziehungskraft F(ö) über den Umfangswinkel ϋ resultiert. Durch diese Art der Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft F(ö) kann eine deutlich ausgeprägtere Schwingung der grundharmonischen Anregungsfrequenz E01( d.h. eine stärkere Amplitude der grundharmonischen Anregungsfrequenz E01( angeregt werden als die störenden Oberwellen E02.
Dabei sind die Profilringe 13, 14 abnehmbar ausgebildet, um verschiedene Verläufe der Höhe h(ö) an ein und demselben Basisring 10 realisieren zu können. Die Profilringe 13, 14 können hierzu von oben auf den Basisring 10 aufgesetzt und auch wieder nach oben abgenommen werden. Sowohl zur Halterung als auch zur Ausrichtung in der radialen Richtung r und in der Umfangsrichtung U weist jeder Profilring 13, 14 an seiner Unterseite ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Aussparungen in Form zweier Bohrungen auf (nicht dargestellt), in welchen jeweils ein Zentrierstift aufgenommen werden kann (nicht dargestellt). Der Basisring 10 weist an seiner Oberseite die entsprechenden vier
Aussparungen 11 als Bohrungen 11 auf, in welche die Zentrierstifte (nicht dargestellt) aufgenommen werden können.
Die Figuren 7 bis 12 zeigen jeweils ein Diagramm der magnetischen Anziehungskraft F(ö) über den Umfangswinkel ϋ für ein erstes bis sechstes Profil des Eisenkerns 10, 13, 14 des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schwingungsanregers 1. Durch verschiedene harmonische Verläufe können stetige magnetische Anziehungskräfte F(ö) ausgeübt werden, welche z.B. einen sinusförmigen Verlauf haben können, vgl. Figur 7. Die Figur 8 zeigt z.B. eine Fourierreihe in Form der Überlagung mehrerer harmonischer Funktionen mit unterschiedlichen Frequenzen. Es sind jedoch auch unstetige
unterbrochene Verläufe möglich, um derartige magnetische Anregungen zu betrachten, vgl. Figuren 9 und 11. Beispielsweise zeigt die Figur 9 diskrete Ausprägungen, die einer harmonischen Funktion folgen. Die Figur 10 zeigt den Verlauf, welcher aus einem zufälligen Oberflächenprofil resultiert. Die Figur 11 zeigt einen einzelnen Sägezahn als Verlauf. Ferner zeigt die Figur 12 zwei phasenverschobene
Funktionen der Profilringe 13, 14. Auf diese Art und Weise können erfindungsgemäß gezielt verschiedene magnetische Anregungen mit vergleichsweise großen Amplituden der gewünschten grundharmonischen Anregungsfrequenz EO, auf die Schaufeln 21 eines Schaufelkranzes 2 ausgeübt werden, um die hieraus resultierenden Messergebnisse z.B. mit den Ergebnissen eines Simulationsprogramms zur Auslegung von Schaufeln 21 zu vergleichen und hierdurch das Simulationsprogramm zu verbessern.
Mit anderen Worten gelingt es durch die vorliegende Erfindung, ein genau definiertes, kontinuierliches Anregungskraftprofil F(ü) auf eine Beschaufelung 2 aufzuprägen. Dies ist mit bestehenden Anregungskonzepten derzeit nicht möglich. Der eingangs erläuterte Nachteil bestehender Anregungskonzepte des Auftretens höher-harmonischer, störender Anregungsfrequenzen E02 etc. kann mit der vorliegenden Erfindung deutlich besser als bisher bekannt vermieden werden. Damit wird es erstmals möglich, das Anregungskraftprofil F(ö) in experimentellen Versuchen möglichst genau zu kennen und zu
kontrollieren. Es kann insbesondere die Validierung der Berechnungsprogramme zur Simulation des dynamischen Verhaltens von Beschaufelungen 2 verbessert werden.
Das entstehende Magnetfeld ist bei Wahl eines entsprechenden Verlaufs der Oberseiten 13a, 14a der Profilringe 13, 14 über den Umfang U stetig und hat keine starken Gradienten. Dadurch wird ebenfalls die eingangs erwähnte sehr starke Erwärmung der Schaufeln 21 durch die Anregung mit einzelnen Magneten vermieden.
Die vorliegende Erfindung kann neben der universitären Forschung auch im industriellen Auslegungs- prozess z.B. der Turbinenhersteller verwendet werden. Durch die mit der vorliegenden Erfindung bessere Möglichkeit der Validierung der Berechnungsprogramme können real ausgeführte Beschaufe- lungen 2 in Zukunft sicherer und zeiteffizienter ausgelegt werden. Die höhere Genauigkeit im Aus- legungsprozess kann zu besseren Eigenschaften der Schaufeln 21 führen, wodurch letztendlich der Wirkungsgrad der Turbine bzw. des Triebwerks steigt. BEZUGSZEICHENLISTE (Teil der Beschreibung) α Konstante
A Querschnittsfläche des magnetischen Kreises bzw. Oberfläche des Eisenkerns 10, 13, 14 des inneren Profilrings 13 oder des äußeren Profilrings 15
d (d) Abstand des inneren Profilrings 13 und/oder des äußeren Profilrings 15 von der Schaufel 21 in der Höhe Z über den Umfangswinkel ϋ; Luftspalt
F (ϋ) magnetische Anziehungskraft über Abstand d (-9) über den Umfangswinkel ϋ
h (ö) veränderliche Dicke bzw. Höhe des Eisenkerns 10, 13 14 des inneren Profilrings 13 und/oder des äußeren Profilrings 15 in der Höhe Z über den Umfangswinkel ϋ
h0 Nullabstand in der Höhe Z; Höhe Z des kleinsten Minimums 16
μ0 magnetische Feldkonstante
r radiale Richtung zur vertikalen Richtung Z
Rm magnetischer Widerstand des Eisenkerns 10, 13, 14
ϋ Umfangswinkel um vertikale Richtung Z
U Umfangsrichtung senkrecht zur radialen Richtung r
Um magnetische Spannung
Z vertikale Richtung; Höhe
ED, i-te Anregungsfrequenz
EO0 konstanter Term der Anregungsfrequenzen
EO erste bzw. grundharmonische Anregungsfrequenz
E02 zweite Anregungsfrequenz bzw. erste Oberwelle
E03 dritte Anregungsfrequenz bzw. zweite Oberwelle 1 elektromagnetischer Schwingungsanreger
10 Basisring des Eisenkerns
10a radial innerer Schenkel des Basisrings 10
10b radial äußerer Schenkel des Basisrings 10
10c Innenraum des Basisrings 10
11 Steckverbindungaufnahme; Aussparungen bzw. Bohrungen für Zentrierstifte
12 Durchführung für elektrische Anschlüsse der Feldspule 16
13 innerer Profilring des Eisenkerns
13a Oberseite des inneren Profilrings 13
14 äußerer Profilring des Eisenkerns
14a Oberseite des äußeren Profilrings 14 Feldspule
Minimum der Höhe h(ö) bzw. Maximum des Abstands d (θ) Maximum der Höhe h(ö) bzw. Minimum des Abstands d (ö)
Schaufelkranz; Beschaufei
Schaufelkörper
Schaufeln

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) zur Schwingungsanregung der Schaufeln (21) eines Schaufelkranzes (2), mit wenigstens einem Eisenkern (10, 13, 14), welcher zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Umfangsrichtung (U) über einen Umfangswinkel (θ) ringförmig ausgebildet ist, wobei der Eisenkern (10, 13, 14) ferner ausgebildet ist, in Umfangsrichtung (U) senkrecht zu den Schaufeln (21) angeordnet zu werden, so dass wenigstens eine Oberseite (13a, 14a) des
Eisenkreises (10, 13, 14) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen Abstand (d(ö)) in der Höhe (Z) zu den Schaufeln (21) aufweist, und mit wenigstens einer Feldspule (15), welche ausgebildet ist, elektrisch versorgt zu werden und ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches zumindest abschnittsweise durch den Eisenkern (10, 13, 14) hindurch, durch die Schaufeln (21) hindurch und über den Abstand (d(ö)) verläuft, wobei der Abstand (d(ö)) über den Umfangswinkel (θ) wenigstens eine Veränderung in der Höhe (Z) aufweist.
2. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d(ö)) über den Umfangswinkel (θ) eine Mehrzahl von Veränderungen in der Höhe (Z) aufweist.
3. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung(en) in der Höhe (Z) in der Umfangsrichtung (U) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, stetig ist/sind.
4. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d(ö)) über den Umfangswinkel (ö) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, einen harmonischen Verlauf in der Höhe (Z) aufweist.
5. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d(ö)) über den Umfangswinkel (θ) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, in der Höhe (Z) einem Verlauf einer fouriertransformierbaren Funktion entspricht.
Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung(en) in der Höhe (Z) in der Umfangsrichtung (U) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, sprungartig ist/sind.
Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (10, 13, 14) U-förmig ausgebildet ist, so dass von dem Eisenkern (10, 13, 14) ein nach oben offener Innenraum (10c) gebildet wird, wobei die Feldspule (15) innerhalb des Innenraums (10c) angeordnet ist.
Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (10, 13, 14) einen Basisring (10) mit einem radial inneren Schenkel (10a) und einem radial äußeren Schenkel (10b) aufweist, wobei die beiden Schenkel (10a, 10b) den Innenraum (10c) radial beidseitig begrenzen, und dass der Eisenkern (10, 13, 14) einen inneren Profilring (13), welcher auf dem radial inneren Schenkel (10a) des Basisrings (10) angeordnet ist, und einen äußeren Profilring (14) aufweist, welcher auf dem radial äußeren Schenkel (10b) des Basisrings (10) angeordnet ist, wobei die Oberseite (13a) des inneren Profilrings (13) und/oder die Oberseite (14a) das äußeren
Profilrings (14) die Oberseite (13a, 14a) des Eisenkerns (10. 13, 14) bildet/bilden.
Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Profilring (13) und/oder der äußere Profilring (14) austauschbar auf dem Basisring (10) angeordnet ist/sind.
Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die Oberseiten (13a, 14a) der Profilringe (13, 14) über den Umfangswinkel (ϋ) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise durchgehend, den gleichen oder einen unterschiedlichen Verlauf aufweisen.
11. Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (10, 13, 14) in der Umfangsrichtung (U) bis auf eine Durchführung (12) der elektrischen Anschlüsse der Feldspule (15) ringförmig geschlossen ist, und dass die Profilringe (13, 14) in der Umfangsrichtung (U) durchgehend ringförmig geschlossen sind.
Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilringe (13, 14) formschlüssig, vorzugsweise jeweils durch eine Steckverbindung, und/oder kraftschlüssig, vorzugsweise jeweils durch zumindest ein Paar von Zentrierstiften, auf den Schenkeln (10a, 10b) des Basisrings (10) gehalten werden.
Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilringe (13, 14) in der radialen Richtung (r) und/oder in der Umfangsrichtung (U) definiert auf den Schenkeln (10a, 10b) des Basisrings (10), vorzugsweise jeweils durch zumindest ein Paar von Zentrierstiften, positioniert sind.
Elektromagnetischer Schwingungsanreger (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Profilring (13) und/oder der äußere Profilring (14) ein ferromagnetisches Material mit hoher Permeabilität aufweist/ausweisen, vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität besteht/bestehen.
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