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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet der Rotoren
von Gebläsen,
Verdichtern oder Turbinen in Turbomaschinen, und sie betrifft insbesondere
ein Verfahren zum Verteilen der Schaufeln von Turbomaschinenrotoren.
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STAND DER TECHNIK
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Die
Verteilung der Schaufeln oder Blätter
an dem Rotor einer Turbomaschine ist ein grundlegendes Element für das Verhalten
(Auswuchten) dieser Laufschaufeln im Betrieb (siehe Dokument
US 4 767 272 , das ein Verfahren
zum Auswuchten von Schaufeln beschreibt). Denn eine falsche Verteilung
führt zur
Erzeugung von Unwuchten infolge unterschiedlichen Verhaltens unter
einer gleichen Zentrifugalbelastung dieser Laufschaufeln. Diese
Unwuchten sind verantwortlich für
erhebliche Schwingungspegel, die eine nicht unwesentliche Auswirkung
auf die mechanischen und akustischen Eigenschaften der Turbomaschine
haben und die im Extremfall zu einer Zerstörung der Laufschaufeln, der
Turbomaschine sowie ihrer Umgebung führen können (auf dem Gebiet der Luftfahrt
beispielsweise des Flugzeugs, in das diese Turbomaschine eingebaut
ist).
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AUFGABE UND DEFINITION DER
ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein Verfahren
vorzuschlagen, das ermöglicht,
die Verteilung der Schaufeln eines Rotors einer Turbomaschine zu
verbessern, um im Betrieb ein besseres Auswuchten zu erzielen. Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verteilungsverfahren vorzuschlagen,
das bei den späteren
Wartungsarbeiten, die zu einzelnen Auswechselungen von Schaufeln
führen,
anwendbar bleibt.
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Erreicht
werden diese Ziele durch ein Verfahren zum Verteilen der Schaufeln
eines Rotors einer Turbomaschine, bei dem zunächst das radiale und das tangentiale
statische Moment einer Vielzahl von Schaufeln, die dazu bestimmt
sind, diesen Rotor zu bilden, gemessen wird, anschließend diese
Schaufeln entsprechend einem bestimmten Auswahlkriterium, das von
diesen zwei zuvor gemessenen statischen Momenten abhängt, paarweise
klassifiziert werden, und schließlich die ausgewählten Paare
nacheinander an dem Rotor in diametral gegenüberliegender Position angebracht
werden.
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Durch
dieses spezielle Verfahren wird somit ein selbsttätiges Auswuchten
der Schaufeln erreicht, ganz gleich wie ihre Betriebsbedingungen
aussehen mögen.
Die durch die Verformungen der Schaufeln erzeugte Restunwucht wird
vollständig
kontrolliert.
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Das
Auswahlkriterium besteht darin, zwischen zwei gegebenen Schaufeln
sowohl eine Abweichung des radialen statischen Moments als auch
eine Abweichung des tangentialen statischen Moments festzulegen und
zu prüfen,
daß diese
zwei Abweichungen nicht größer sind
als ein bestimmter erster Wert bzw. als ein bestimmter zweiter Wert.
Vorzugsweise betragen dieser bestimmte erste und dieser bestimmte
zweite Wert 2·10–4 mkg
bzw. 4·10–4 mkg.
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Vorteilhafterweise
wird außerdem
das axiale statische Moment der Vielzahl von Schaufeln gemessen und
wird die paarweise Klassifizierung unter Berücksichtigung des so gemessenen
axialen statischen Moments vollzogen, wobei das Auswahlkriterium
nun darin besteht, eine Abweichung des axialen statischen Moments
zwischen den zwei Schaufeln festzulegen und zu prüfen, daß sie nicht
größer ist
als ein bestimmter dritter Wert, vorzugsweise 1·10–4 mkg.
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Es
kann ferner das kombinierte statische Moment der Vielzahl von Schaufeln
berechnet werden, und die paarweise Klassifizierung wird unter Berücksichtigung
des so berechneten kombinierten statischen Moments vollzogen, wobei
das Auswahlkriterium in diesem Fall darin besteht, ein Produkt aus
den Abweichungen des radialen, tangentialen und axialen statischen
Moments zwischen den zwei Schaufeln festzulegen und zu prüfen, daß es nicht
größer ist
als ein bestimmter vierter Wert, vorzugsweise 1·10–4 mkg.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden, zur Unterrichtung gegebenen und als nicht einschränkend zu
verstehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen besser
hervorgehen, in diesen zeigen:
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1 einen
mit Schaufeln ausgestatteten Rotor einer Turbomaschine,
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2 eine
Detailansicht einer einzelnen Schaufel des Rotors der 1,
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3 eine
schematische Ansicht einer Maschine zum Messen des radialen statischen
Moments der Schaufel der 2, und
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die 4A bis 7B Beispiele
für Verteilungsdiagramme
der statischen Momente der Schaufeln des Rotors der 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
einen Rotor einer Turbomaschine, der herkömmlicherweise eine mittlere
Scheibe 8 umfaßt,
an deren Umfang eine Vielzahl von Schaufeln 10 angeordnet
ist. Es liegt eine gerade Anzahl dieser Schaufeln vor, im Falle
eines Gebläserotors
beträgt
sie beispielsweise 24.
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2 zeigt
im Detail eine einzelne Schaufel dieses Rotors. Diese Schaufel 10 weist
eine spiralig gewundene Flügelform
mit einem beispielsweise tannenförmigen
Schaufelfuß 12 auf,
um eine feste Verbindung mit der Trommel des Rotors sicherzustellen.
In dieser Fig. wurden auch die Achse des Rotors 14 (die
auch die Achse der Turbomaschine ist), der Schwerpunkt G der Schaufel
sowie die Längsachse
der Schaufel 16 (Achse, die senkrecht zur Achse des Rotors
und durch G verläuft)
dargestellt. Sie ermöglichen,
statische 3D-Momente dieser Schaufel zu definieren. Es handelt sich
dabei zunächst
um das radiale statische Moment (R), das tangentiale statische Moment
(T) und das axiale statische Moment (A), wobei diese zwei letztgenannten
Komponenten des statischen Moments in bezug auf die Längsachse 16 definiert
werden. Diese drei Komponenten können
für jede
Schaufel eines Rotors mit Hilfe geeigneter bekannter Maschinen,
beispielsweise der in 3 dargestellten Präzisionswaage
gemessen werden.
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Diese
zuvor geeichte Waage 20 für statische 3D-Momente ermöglicht nämlich die
Messung eines radialen und eines axialen statischen Moments. Hierfür wird die
Schaufel 10 im Schleuderbetrieb an einer drehangetriebenen
Aufnahmescheibe 22 angeordnet. Ein Gegengewicht 24,
das einem Einstellring 26 zugeordnet ist, ermöglicht,
die Rotation auszugleichen. Das statische Moment ist gleich dem
Produkt aus dem Hebelarm D (welcher in bezug auf den Bezugspunkt
R der Waage definiert ist) und der an den Schwerpunkt G der Schaufel
angelegten Masse M. Diese Maschine, die auch die Messung des tangentialen
statischen Moments durch eine 90°-Drehung der Aufnahmescheibe 22 ermöglicht,
ist wohl bekannt, und demzufolge scheint ihre eingehende Beschreibung
nicht erforderlich.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, werden zunächst – um eine
Verteilung der Schaufeln eines Turbomaschinenrotors zu bewerkstelligen,
die ein einwandfreies Auswuchten im Betrieb sicherstellt – wenigstens
das radiale und das tangentiale statische Moment einer Vielzahl
von Schaufeln, die dazu bestimmt sind, diesen Rotor zu bilden, gemessen,
anschließend
werden diese Schaufeln entsprechend einem bestimmten Auswahlkriterium,
das von den für
diese zwei statischen Momente erhaltenen Messungen abhängt, paarweise
klassifiziert, und schließlich
werden die Schaufeln der ausgewählten
(d. h. wählbaren
und demnach nicht ausgeschlossenen) Paare nacheinander an der Trommel
des Rotors in diametral gegenüberliegender
Position (0°–180°) angebracht.
Nach einer weiteren Ausführungsform
kann zusätzlich
die Messung des axialen statischen Moments einer jeden dieser Schaufeln
durchgeführt
werden, wobei das Auswahlkriterium dann diese zusätzliche
Messung einschließt.
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Dieses
Auswahlkriterium, das die Klassifizierung der Schaufeln in wählbare Schaufeln
und ausgeschlossene Schaufeln ermöglicht, beruht auf der Berechnung
von Abweichungen statischer Momente zwischen zwei ein gleiches Paar
bildenden Schaufeln. Es geht nämlich
darum, einerseits eine Abweichung des radialen statischem Moments
zwischen zwei gegebenen Schaufeln und andererseits eine Abweichung
des tangentialen statischen Moments zwischen diesen zwei gleichen
Schaufeln zu bestimmen und zu prüfen,
daß diese
zwei Abweichungen nicht größer als
ein bestimmter erster Wert bzw. nicht größer als ein bestimmter zweiter
Wert sind. Ist dies der Fall, werden die Schaufeln als an dem in
Herstellung befindlichen Rotor anbringbar betrachtet, während sie
im entgegengesetzten Fall ausgeschlossen werden.
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Diese
zwei Werte maximaler Abweichung, welche bestimmen, ob die Schaufeln
ausgeschlossen werden oder nicht, betragen vorzugsweise gleich 2·10–4 mkg
(200 cmg) bzw. 4·10–4 mkg
(400 cmg).
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Dieses
Auswahlkriterium kann auf die axiale Komponente des statischen Moments
ausgeweitet werden, das dann ebenfalls für das analysierte Schaufelpaar
bestimmt wird, wobei die maximale Abweichung des axialen statischen
Moments, jenseits derer die Schaufel ausgeschlossen werden muß, dann
mit einem dritten Wert verglichen wird, der ebenfalls gleich 4·10–4 mkg
(400 cmg) beträgt.
Selbstverständlich
wird angemerkt, daß diese
vorbestimmten Grenzwerte nicht einschränkend zu verstehen sind und
daß kleinere
Werte absolut in Betracht gezogen werden können, zum Beispiel 200 cmg,
300 cmg bzw. 200 cmg, unter Vorbehalt dessen, daß dann ein höherer Ausschlußfaktor
akzeptiert wird (oder daß geringere
Toleranzen bei der Fertigung der Schaufeln auferlegt werden).
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Schließlich kann
die Resultierende der Unwucht, die durch alle Schaufeln (vollständiger Satz)
hervorgerufen wird, sobald diese an der Scheibe angebracht sind,
dadurch kontrolliert werden, daß ein
verbleibendes kombiniertes statisches Moment (entweder radial +
tangential oder radial + tangential + axial) bezüglich dieser Schaufeln berechnet
wird, dessen Berücksichtigung
ermöglicht,
das Auswahlkriterium auf nützliche
Weise zu vervollständigen.
Dieses zusätzliche
Auswahlkriterium entspricht der Bestimmung der Unwucht des verbleibenden
radialen und tangentialen statischen Moments (oder radialen, tangentialen
und axialen, entsprechend der in Betracht gezogenen Ausführungsform)
aller Schaufeln, die nicht größer als
ein vorbestimmter vierter Wert, vorzugsweise gleich 6·10–4 mkg
(bzw. 1·10–4 mkg)
sein darf, um nicht dazu zu führen,
daß der
Rotor in seiner Gesamtheit ausgeschlossen wird.
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Ein
Beispiel für
die Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in den 4A bis 7B dargestellt.
Diese Beispiel bezieht sich auf einen Gebläserotor mit einem Satz von
24 Schaufeln (die von 1 bis 24 numeriert sind), wobei die Messung
der statischen 3D-Momente in dem dargestellten Beispiel an 26 Sätzen mit
24 Schaufeln (also 624 Schaufeln) durchgeführt wird.
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In 4A sind
die Werte der unterschiedlichen, für eine jede der Schaufeln dieser
26 Sätze
gemessenen radialen statischen Momente angegeben. In dem dargestellten
Beispiel schwanken diese Momente zwischen 201000 und 215000 cmg.
Die Verteilung dieser Momente entsprechend ihren Werten ist in 4B dargestellt.
Ebenso sind in 5A die Werte der unterschiedlichen,
für eine
jede der Schaufeln der verschiedenen Sätze gemessenen tangentialen
statischen Momente angegeben. Diese Momente variieren zwischen 950
und 1850 cmg. Die Verteilung dieser Momente entsprechend ihren Werten
ist in 5B dargestellt, und in 6A sind
die Werte der unterschiedlichen, für eine jede der Schaufeln der
verschiedenen Sätze
gemessenen axialen statischen Momente angegeben. Diese Momente schwanken
zwischen 4150 und 5150 cmg. Die Verteilung dieser Momente entsprechend
ihren Werten ist in 6B dargestellt.
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Es
ist nun möglich,
diese Schaufeln paarweise derart zu klassifizieren, daß gleichzeitig
die Abweichung des radialen statischen Moments niedriger ist als
der vorbestimmte erste Wert, bei diesem Beispiel also 200 cmg, daß die Abweichung
des tangentialen statischen Moments geringer ist als der vorbestimmte
zweite Wert, bei diesem Beispiel also 300 cmg, und daß die Abweichung
des axialen statischen Moments geringer ist als der vorbestimmte
dritte Wert, bei diesem Beispiel also ebenfalls 300 cmg. Auf diese
Weise erhält
man die nachfolgende Tabelle:
| Nummer
des Schaufelpaars | Abweichung
radiales statisches Moment | Abweichung
axiales statisches Moment | Abweichung
tangentiales statisches Moment |
| 1
(Schaufeln 1 und 13) | 20 | 100 | 70 |
| 2
(Schaufeln 2 und 14) | 60 | 120 | 110 |
| 3
(Schaufeln 3 und 15) | 100 | 270 | 280 |
| 4
(Schaufeln 4 und 16) | 20 | 250 | 140 |
| 5
(Schaufeln 5 und 17) | 30 | 170 | 220 |
| 6
(Schaufeln 6 und 18) | 60 | 80 | 60 |
| 7
(Schaufeln 7 und 19) | 30 | 0 | 140 |
| 8
(Schaufeln 8 und 20) | 50 | 210 | 260 |
| 9
(Schaufeln 9 und 21) | 80 | 100 | 30 |
| 10
(Schaufeln 10 und 22) | 140 | 150 | 110 |
| 11
(Schaufeln 11 und 23) | 60 | 170 | 40 |
| 12
(Schaufeln 12 und 24) | 60 | 160 | 240 |
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Vorzugsweise
vergewissert man sich anschließend,
daß die
radiale (R) + tangentiale (T) + axiale (A) Resultierende der Unwucht
des vollständigen
Schaufelsatzes (die auch als Beschaufelungsunwucht bezeichnet wird)
bei diesem Ausführungsbeispiel
mit 24 Schaufeln geringer als ein bestimmter vierter Wert und gleich 100
cmg ist. In 7A sind die Werte der unterschiedlichen,
für jeden
der 26 Sätze
gemessenen kombinierten statischen Momente (R + T + A) angegeben.
Diese Momente variieren zwischen 11 cmg und 80 cmg und liegen folglich
alle weit unter 100 cmg. Die Verteilung dieser verbleibenden Momente
entsprechend ihren Werten ist in 7B dargestellt.
Man wird feststellen, daß wenn
sich die Beschaufelungsunwucht von diesem zulässigen Grenzwert entfernt hätte, es
erforderlich gewesen wäre,
Permutationen oder Änderungen
von Paaren vorzunehmen, um wieder einen Wert zu finden, der mit
dem verlangten Grenzwert kompatibler ist.
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In
dem vorgenannten Beispiel wurde die Verteilung der 26 Sätze mit
24 Schaufeln auf der Grundlage von statischen 3D-Momenten durchgeführt, selbstverständlich ist
jedoch auch eine abgeschwächte
Form auf der Basis von nur zwei statischen Momenten, dem radialen
und dem tangentialen, möglich.
In diesem Fall wird die Überprüfung der
resultierenden Beschaufelungsunwucht lediglich auf der Basis der
radialen und tangentialen Resultierenden (R + T) des statischen
Moments durchgeführt.
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Das
für einen
Satz mit 24 Schaufeln dargelegte erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich auf eine
beliebige Anzahl von Schaufeln anwendbar, die eine Untereinheit
von über
den Umfang eines Turbomaschinenrotors gleichmäßig verteilten Schaufeln bilden.
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ÜBERSETZUNG DES TEXTES IN DEN
ZEICHNUNGEN
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Fig.
4A
| Moment
radial (cmg) | radiales
Moment (cmg) |
Fig.
4B
| Fréquence | Frequenz |
| Moment
radial (cmg) | Radiales
Moment (cmg) |
Fig.
5A
| Moment
tangentiel (cmg) | Tangentiales
Moment (cmg) |
Fig.
5B
| Fréquence | Frequenz |
| Moment
tangentiel (cmg) | Tangentiales
Moment (cmg) |
Fig.
6A
| Moment
axial (cmg) | Axiales
Moment (cmg) |
Fig.
6B
| Fréquence | Frequenz |
| Moment
axial (cmg) | Axiales
Moment (cmg) |
Fig.
7A
| Mom.
stat. combiné (cmg) | Kombiniertes
statisches Moment (cmg) |
| Echantillon | Probe |
Fig.
7B
| Fréquence | Frequenz |
| Résiduel
(cmg) | verbleibendes
(cmg) |