DE102008052904B4

DE102008052904B4 - Verfahren zum Ermitteln von mechanischen Eigenschaften einer Beschaufelung

Info

Publication number: DE102008052904B4
Application number: DE102008052904.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schönenborn Harald
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2028-10-24
Also published as: WO2010045924A1; DE102008052904A1

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.

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.
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.
Im Stand der Technik kann man die Schwingungseigenfrequenzen der Schaufeln lediglich experimentell ermitteln, die Schaufel muss also aufwändig vermessen werden. So beschreibt beispielsweise die EP 0 586 288 B1 , in deutscher Übersetzung als DE 693 10 642 T2 veröffentlicht, die Durchführung von Vibrationsmessungen an einer Turbinenschaufel während des Betriebes. Die Schwingungen werden optisch erfasst, indem die Turbinenschaufel mit Markierungen versehen wird, zu denen Messsignale aufgenommen werden. LÉON, J.-C. ; FINE, L.: A new approach to the preparation of models for FE analyses. In: International journal of computer applications in technology, Vol. 23, 2005, No. 2/3/4, S. 166-184. - 10.1504/IJCAT.2005.006485 beschreibt ein allgemeines Verfahren, um Bauteilmodelle für eine FE-Schwingungsanalyse aufzubereiten. WO 2006/ 053 644 A1 und US 2004 / 0 243 310 A1 beschreiben Verfahren zum Erzeugen von Modellen zur FE-Schwingungsberechnung. US 7 184 036 B2 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von 3D-Modellen von Bauteilen mittels eines Laser-Scan-Verfahrens. „U-M - GE Transportation Partnership Improves Aircraft Engine Design", in: University of Michigan, 2004-05 Mechanical Engineering Annual Report, S.4 beschäftigt sich mit dem Problem des Einstellens von Eigenfrequenzen für Schaufeln von Blisken.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Ermitteln von mechanischen Eigenschaften einer Beschaufelung zu erleichtern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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 .

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Im Ergebnis erhält man durch einen Schritt S12 des Zuschneidens einen Messpunkt-Datensatz für jede Schaufel einzeln.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

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.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine elastische Rückstellkraft der einzelnen Schaufeln und/oder die Art oder das Ausmaß ihrer Verformung bei Beaufschlagung des Bauteils mit Kraft ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Aufbereiten ein strukturiertes oder ein unstrukturiertes Vernetzen (S 14) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Aufbereiten ein Herausnehmen (S 12) von Messpunktgruppen aus dem Messpunkt-Datensatz zugeordnet zu einzelnen Schaufeln, insbesondere zu jeder Schaufel, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis von Lichtbildern die Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche des Bauteils berechnet werden.