DE102008052904B4 - Method for determining mechanical properties of a blading - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Ermitteln der Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln eines integral beschaufelten Rotors einer Turbomaschine zur Qualitätskontrolle nach der Herstellung des Rotors und vor dessen Einsatz mit den Schritten:Gewinnen (S 10) eines Messpunkt-Datensatzes des Rotors durch Bestrahlen der Oberfläche des ruhenden Rotors mit Licht und Detektieren des von der Oberfläche hierbei abgestrahlten Lichts,Aufbereiten (S 12, S 14) des Messpunkt-Datensatzes zum Ermöglichen einer Anwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens,Durchführen (S 16) eines Finite-Elemente-Verfahrens anhand des aufbereiteten Datensatzes und hierdurch Erhalt einer Information zu den Schwingungseigenfrequenzen der Schaufeln des Rotors.Method for determining the natural vibration frequencies of the individual blades of an integrally bladed rotor of a turbomachine for quality control after manufacture of the rotor and before its use, comprising the steps of:Obtaining (S 10) a measurement point data set of the rotor by irradiating the surface of the stationary rotor with light and detecting the light emitted from the surface,Preparing (S 12, S 14) the measurement point data set to enable application of a finite element method,Carrying out (S 16) a finite element method based on the prepared data set and thereby obtaining information on the natural vibration frequencies of the blades of the rotor.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln eines integral beschaufelten Rotors einer Turbomaschine zur Qualitätskontrolle, nach der Herstellung des Rotors und vor dessen Einsatz. Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Ermitteln von mechanischen Eigenschaften einer so genannten Blisk, also eines integralen beschaufelten Rotors.The invention relates to a method for determining the natural vibration frequencies of the individual blades of an integrally bladed rotor of a turbomachine for quality control purposes, after the rotor has been manufactured and before it is used. The method is particularly suitable for determining the mechanical properties of a so-called blisk, i.e. an integrally bladed rotor.
Bei den mit integralen Schaufeln versehenen Rotoren einer Turbomaschine, einer sogenannten Blisk, können die einzelnen Schaufeln voneinander abweichende Eigenschaften haben. Wünschenswert ist, wenn sämtliche Schaufeln die gleichen Schwingungseigenfrequenzen für mechanische Schwingungen haben. Beim Betrieb der Turbomaschine verteilt sich dann die Energie bei Durchlaufen dieser Schwingungseigenfrequenzen auf sämtliche Schaufeln. Nachteilig ist es hingegen, wenn die Schaufeln unterschiedliche Schwingungseigenfrequenzen haben. Gibt es an einer Beschaufelung einzelne Schaufeln, die Schwingungseigenfrequenzen aufweisen, die die anderen Schaufeln nicht haben, so nimmt diese Schaufel im Resonanzfall, wenn also eine Eigenfrequenz durchlaufen wird, besonders viel Energie vom Gesamtsystem auf und zeigt Schwingungen mit besonders hoher Amplitude, was zu einem instabilen Betrieb führt und zu einer Gefährdung des Rotors führen kann. Es ist nun wünschenswert, dieses so genannte Mistuning an einer Beschaufelung rechtzeitig zu erkennen.In the case of turbomachine rotors with integral blades, known as blisks, the individual blades can have different properties. It is desirable if all blades have the same natural vibration frequencies for mechanical vibrations. When the turbomachine is in operation, the energy is then distributed across all blades as it passes through these natural vibration frequencies. However, it is disadvantageous if the blades have different natural vibration frequencies. If there are individual blades on a blading system that have natural vibration frequencies that the other blades do not have, then in the event of resonance, i.e. when a natural frequency is passed through, this blade absorbs a particularly large amount of energy from the overall system and exhibits vibrations with a particularly high amplitude, which leads to unstable operation and can endanger the rotor. It is now desirable to detect this so-called mistuning of a blading system in good time.
Im Stand der Technik kann man die Schwingungseigenfrequenzen der Schaufeln lediglich experimentell ermitteln, die Schaufel muss also aufwändig vermessen werden. So beschreibt beispielsweise die
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Ermitteln von mechanischen Eigenschaften einer Beschaufelung zu erleichtern.It is an object of the invention to facilitate the determination of mechanical properties of a blading system.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten gemäß Patentanspruch 1 gelöst.The object is achieved by a method having the steps according to patent claim 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit die Schritte:
- - Gewinnen eines Messpunkt-Datensatzes eines integral beschaufelten Rotors einer Turbomaschine durch Bestrahlen der Oberfläche des ruhenden Rotors mit Licht und Detektieren des von der Oberfläche hierbei abgestrahlten Lichts,
- - Aufbereiten des Messpunkt-Datensatzes zum Ermöglichen einer Anwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens,
- - Durchführen eines Finite-Elemente-Verfahrens anhand des aufbereiteten Datensatzes und hierdurch Erhalt einer Information zu den Eigenfrequenzen der Schaufeln des Rotors .
- - Obtaining a measurement point data set of an integrally bladed rotor of a turbomachine by irradiating the surface of the stationary rotor with light and detecting the light emitted from the surface,
- - Preparing the measurement point data set to enable the application of a finite element method,
- - Carrying out a finite element method based on the processed data set and thereby obtaining information on the natural frequencies of the rotor blades.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Qualitätskontrolle nach der Herstellung eines Rotors und vor dessen Einsatz verwendet. Die Erfindung kombiniert eine optische Vermessung der Beschaufelung mit einer Auswertung des hierbei gewonnenen Messpunkt-Datensatzes durch ein Finite-Elemente-Verfahren. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bestimmte mechanische Eigenschaften eines Körpers aufgrund seiner Form im Ruhezustand durch ein Finite-Elemente-Verfahren ermittelbar sind. Im vorliegenden Fall muss die Beschaufelung nicht in aufwendiger Weise im Betrieb beobachtet werden, sondern kann im ruhenden Zustand optisch abgetastet werden. Dies ist in unaufwendiger Weise durchführbar. Die nachfolgende Auswertung erfolgt durch Computerprogramme, die keinen großen Kostenaufwand bedeuten.The method according to the invention is used for quality control after the manufacture of a rotor and before its use. The invention combines an optical measurement of the blading with an evaluation of the measurement point data set obtained using a finite element method. The invention is based on the knowledge that certain mechanical properties of a body can be determined using a finite element method based on its shape when at rest. In the present case, the blading does not have to be observed in a complex manner during operation, but can be optically scanned when at rest. This can be carried out in a simple manner. The subsequent evaluation is carried out using computer programs that do not involve great expense.
Außer die Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln zu ermitteln, kann das Verfahren zusätzlich dazu eingesetzt werden, eine elastische Rückstellkraft der einzelnen Schaufeln bei Beaufschlagung des Rotors mit Kraft zu ermitteln. Diese so genannte statische Auslastung der Schaufeln, insbesondere ihre Verformung bei Beaufschlagung mit Gas unter hohem Druck, ist für die Prüfung auf die Tauglichkeit für Betriebsbedingungen in vorteilhafter Weise ermittelbar.In addition to determining the natural vibration frequencies of the individual blades, the method can also be used to determine an elastic restoring force of the individual blades when force is applied to the rotor. This so-called static load of the blades, in particular their deformation when exposed to gas under high pressure, can be determined in an advantageous manner for testing suitability for operating conditions.
Die Finite-Elemente-Verfahren benötigen einen Datensatz zugeordnet zu einem Gitter. Das Ableiten eines solchen Gitters wird im Fachgebiet als „Vernetzen“ bezeichnet. Umfasst der Messpunkt-Datensatz die Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche des Rotors, kann das Aufbereiten sowohl ein so genanntes strukturiertes Vernetzen als auch alternativ ein so genanntes unstrukturiertes Vernetzen umfassen.The finite element methods require a data set associated with a grid. Deriving such a grid is referred to in the field as "meshing". If the measurement point data set includes the coordinates of points on the surface of the rotor, the processing can include both so-called structured meshing and, alternatively, so-called unstructured meshing.
Im Rahmen des Aufbereitens des Messpunkt-Datensatzes kann auf die konkrete Geometrie des Rotors eingegangen werden. Wenn insbesondere die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Schaufeln im Zentrum des Interesses stehen, bietet es sich an, zu jeder Schaufel einzeln eine Analyse durchzuführen. Hierzu kann im Schritt des Aufbereitens vorgesehen sein, dass Messpunktgruppen aus dem Messpunkt-Datensatz herausgenommen werden, wobei jede Messpunktgruppe einer Schaufel zugeordnet ist. Dieses Herausnehmen kann zu einzelnen Schaufeln erfolgen, bevorzugt erfolgt es zu jeder Schaufel. Das Aufbereiten kann im Weiteren anhand jeder Messpunktgruppe einzeln erfolgen, vorliegend also kann ein strukturiertes oder unstrukturiertes Vernetzen aufgrund der einzelnen Messpunktgruppen erfolgen. Das Durchführen eines Finite-Elemente-Verfahrens impliziert dann, dass jeweils ein Finite-Elemente-Verfahren für jede einzelne aufbereitete Messpunktgruppe durchgeführt wird.When preparing the measurement point data set, the specific geometry of the rotor can be taken into account. If the focus of interest is particularly on the mechanical properties of the individual blades, it is advisable to carry out an analysis for each blade individually. To do this, the preparation step can provide for measuring point groups to be removed from the measurement point data set, with each measuring point group being assigned to a blade. This removal can be done for individual blades, preferably for each blade. The processing can then be carried out individually using each measuring point group, so in this case structured or unstructured meshing can be carried out based on the individual measuring point groups. Carrying out a finite element method then implies that a finite element method is carried out for each individual prepared measuring point group.
Beim optischen Vermessen kann jegliches Verfahren eingesetzt werden, bei dem eine Oberfläche abgetastet wird. Solche Verfahren wurden zum Beispiel zur Strukturerkennung, insbesondere zur Gesichtererkennung, entwickelt. Ein besonderes einfaches solches Verfahren macht Gebrauch von zwei getrennt aufgestellten Kameras, die jeweils aus unterschiedlicher Perspektive ein Lichtbild oder mehrere Lichtbilder des Objekts, vorliegend also der Beschaufelung, aufnehmen. Aus den Lichtbildern beider Kameras können dann die Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche des Rotors berechnet werden. Das Bestrahlen der Oberfläche des Rotors mit Licht kann diesen Berechnungsschritt erleichtern, wenn Beleuchtungsstärke und Beleuchtungsrichtung passend gewählt sind, so dass zum Beispiel ein bestimmter Schattenwurf gegeben ist, der bei der Berechnung der Oberfläche einbezogen werden kann, insbesondere wenn diese stark konturiert ist.Any method in which a surface is scanned can be used for optical measurement. Such methods have been developed, for example, for structure recognition, in particular for face recognition. A particularly simple method of this kind uses two separately positioned cameras, each of which takes one or more photographs of the object, in this case the blades, from a different perspective. The coordinates of points on the surface of the rotor can then be calculated from the photographs from both cameras. Illuminating the surface of the rotor with light can make this calculation step easier if the illuminance and direction of illumination are selected appropriately, so that, for example, a certain shadow is cast that can be included in the calculation of the surface, especially if it is heavily contoured.
Wie eingangs erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zum Ermitteln von mechanischen Eigenschaften einer Blisk, also eines integralen beschaufelten Rotors. Nach Herstellung einer Blisk und vor ihrem (möglichen) Einsatz ist es wünschenswert, über die Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln Bescheid zu wissen.As mentioned at the beginning, the method according to the invention is advantageous for determining the mechanical properties of a blisk, i.e. an integral bladed rotor. After a blisk has been manufactured and before its (possible) use, it is desirable to know the natural vibration frequencies of the individual blades.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die einzige Figur die Schrittfolge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.A preferred embodiment of the invention is described below with reference to the drawing, the single figure showing the step sequence of a preferred embodiment of the method according to the invention.
Bei dem anhand der Figur erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren soll eine Blisk auf die Schwingungseigenfrequenzen der an ihr befindlichen Schaufeln untersucht werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren müssen die Schwingungseigenfrequenzen nicht angeregt werden, sondern die Blisk kann vollständig in Ruhe verbleiben.In the method according to the invention explained with reference to the figure, a blisk is to be examined for the natural vibration frequencies of the blades located on it. In the method according to the invention, the natural vibration frequencies do not have to be excited, but the blisk can remain completely at rest.
Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit dem Schritt S10, dem optischen Vermessen der Blisk, wobei sich diese hierbei in Ruhe befindet. Auf die Blisk werden bestimmte Lichtmuster gestrahlt, und die Blisk wird aus zwei unterschiedlichen Perspektiven jeweils mit einer Kamera fotografiert. Aus den Kamerabildern lassen sich dann Koordinaten für eine Vielzahl von Messpunkten auf der Oberfläche der Blisk berechnen. Man erhält somit einen Messpunkt-Datensatz.The method according to the invention begins with step S10, the optical measurement of the blisk, which is at rest. Certain light patterns are irradiated onto the blisk and the blisk is photographed from two different perspectives using a camera. Coordinates for a large number of measurement points on the surface of the blisk can then be calculated from the camera images. This produces a measurement point data set.
Mit Hilfe dieses Messpunkt-Datensatzes lassen sich nun 3D-Darstellungen der Blisk auf einem Bildschirm berechnen. Der Messpunkt-Datensatz betrifft die Blisk als Ganzes. Von Interesse sind jedoch die Eigenschaften der einzelnen Schaufeln der Blisk. Daher ist es zweckmäßig, eine Analyse Schaufel für Schaufel durchzuführen. Diese Analyse kann aufgrund der den Schaufeln jeweils zugeordneten Messpunkten aus dem Messpunkt-Datensatz erfolgen, es kann also eine Messpunktgruppe aus dem Messpunkt-Datensatz Schaufel für Schaufel herausgenommen werden. Bei einer 3D-Darstellung entspricht dies einem Herausschneiden eines 3D-Bereichs aus dem Objekt. Dieses Zuschneiden des Objekts kann beispielsweise so erfolgen, dass aus der Blisk zunächst ein Scheibensegment herausgeschnitten wird, indem zwei Flächen (z.B. Ebenen) definiert werden, wobei zum Herausschneiden einer einzelnen Schaufel zwei Flächen verwendet werden, von denen eine Fläche jeweils durch Drehung der anderen Fläche um die Rotationsachse der Blisk um einen Winkel von 360°/n hervorgeht, wobei n die Gesamtzahl der Schaufeln bei gleicher Winkelbeabstandung der Schaufeln auf der Blisk ist. Ein solches Scheibensegment umfasst noch den Kern des Rotors. Dieser kann durch Setzen eines Kegels beziehungsweise eines Ringraums herausgeschnitten werden. Das Herausschneiden kann so aussehen, dass an dem herausgeschnittenen Teil zu jeder Schaufel noch ein Fußbereich verbleibt (also dass Messpunkte aus dem Messpunkt-Datensatz für einen solchen Fußbereich in der herausgenommenen Messpunktgruppe enthalten sind). Es kann auch an jede herausgeschnittene Schaufel ohne Fußbereich ein modellierter Fußbereich angesetzt werden.Using this measurement point data set, 3D representations of the blisk can now be calculated on a screen. The measurement point data set concerns the blisk as a whole. However, the properties of the individual blades of the blisk are of interest. It is therefore useful to carry out an analysis blade by blade. This analysis can be carried out on the basis of the measurement points assigned to the blades in the measurement point data set, i.e. a group of measurement points can be taken out of the measurement point data set blade by blade. In a 3D representation, this corresponds to cutting out a 3D area from the object. This cutting of the object can be done, for example, by first cutting out a disk segment from the blisk by defining two surfaces (e.g. planes), whereby two surfaces are used to cut out a single blade, one surface of which is created by rotating the other surface around the axis of rotation of the blisk by an angle of 360°/n, where n is the total number of blades with the same angular spacing of the blades on the blisk. Such a disk segment still includes the core of the rotor. This can be cut out by setting a cone or an annular space. The cutting out can be done in such a way that a foot area remains on the cut-out part for each blade (i.e. that measuring points from the measuring point data set for such a foot area are included in the removed measuring point group). It can also be connected to each cut-out blade without A modelled foot area can be added to the foot area.
Im Ergebnis erhält man durch einen Schritt S12 des Zuschneidens einen Messpunkt-Datensatz für jede Schaufel einzeln.As a result, a cutting step S12 produces a measurement point data set for each blade individually.
Der Messpunkt-Datensatz für jede Schaufel einzeln erlaubt noch nicht das Durchführen einer Analyse auf die Eigenschwingungen. Um ein Finite-Elemente-Verfahren durchführen zu können, muss eine Aufbereitung des Datensatzes erfolgen. Im Rahmen einer Diskretisierung wird ein Gitter abgeleitet. Im vorliegenden Fall bezeichnet man den hierbei durchzuführenden Schritt S14 als Vernetzen. Der Messpunkt-Datensatz zu jeder Schaufel kann mit einem unstrukturierten Vernetzer, wie er z.B. von der Firma ANSYS® unter dem Namen ICEM bekannt ist, vernetzt werden. Genauso kann die Oberfläche, die durch den jeweiligen Messpunkt-Datensatz definiert ist, automatisch mit bestimmten Programmen strukturiert vernetzt werden.The measurement point data set for each blade individually does not yet allow an analysis of the natural vibrations to be carried out. In order to be able to carry out a finite element method, the data set must be prepared. A grid is derived as part of a discretization. In this case, the step S14 to be carried out here is referred to as meshing. The measurement point data set for each blade can be meshed using an unstructured mesher, such as that known from ANSYS® under the name ICEM. In the same way, the surface defined by the respective measurement point data set can be automatically meshed in a structured manner using certain programs.
Unabhängig davon, ob ein unstrukturiertes oder ein strukturiertes Vernetzen erfolgt, kann nun in Schritt S16 zu jeder Schaufel ein Finite-Elemente-Verfahren angewendet werden, das als Rechenergebnis Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln ausgibt.Regardless of whether unstructured or structured meshing is used, a finite element method can now be applied to each blade in step S16, which outputs the vibration natural frequencies of the individual blades as the calculation result.
In einem abschließenden Schritt S18 werden diese in Schritt S16 erhaltenen Informationen zusammengeführt, nämlich für alle Schaufeln der Blisk. Die Zusammenführung kann in vereinfachter Weise durch Erstellen einer Tabelle erfolgen oder aufwendiger in einer Auflistung der Schwingungseigenfrequenzen zugeordnet zu den einzelnen durchnummerierten Schaufeln.In a final step S18, the information obtained in step S16 is merged, namely for all blades of the blisk. The merger can be carried out in a simplified manner by creating a table or, more complexly, in a list of the natural vibration frequencies assigned to the individual numbered blades.
Aufgrund der zusammengeführten Informationen lässt sich überprüfen, ob die Blisk überhaupt für den Betrieb tauglich ist, das erfindungsgemäße Verfahren dient also einer Qualitätskontrolle. Bei tauglicher Blisk lassen sich die Schwachstellen der Blisk ermitteln. Insbesondere lässt sich feststellen, ob die Blisk ein besonders starkes Mistuning zeigt, die Schwingungseigenfrequenzen der Schaufeln also stark streuen, oder ob umgekehrt die Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln nah beieinander liegen.Based on the information gathered, it is possible to check whether the blisk is suitable for operation at all, so the method according to the invention serves as a quality control. If the blisk is suitable, the weak points of the blisk can be determined. In particular, it can be determined whether the blisk shows particularly severe mistuning, i.e. whether the natural vibration frequencies of the blades are very scattered, or whether, conversely, the natural vibration frequencies of the individual blades are close to one another.
Prinzipien des anhand der Figur erläuterten Verfahrens (optisches Vermessen, Aufbereiten durch Zuschneiden und Vernetzen, Durchführen eines Finite-Elemente-Verfahrens) können auch zum Ableiten anderer mechanischer Eigenschaften eingesetzt werden, beispielsweise kann ermittelt werden, wie stark sich die einzelnen Schaufeln bei Beaufschlagung mit Gasdruck verformen. Die Prinzipien des beschriebenen Verfahrens sind auch auf andere Beschaufelungen als Blisks anwendbar.Principles of the method explained using the figure (optical measurement, processing by cutting and meshing, performing a finite element method) can also be used to derive other mechanical properties, for example, it can be determined how much the individual blades deform when subjected to gas pressure. The principles of the method described can also be applied to blading other than blisks.
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