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 E0 ₁ = 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 EO ₀ = 0 ist deutlich die gewünschte Anregungsfrequenz EO : = 4 enthalten. Nur unwesentlich schwächer ausgeprägt ist jedoch die erste Oberwelle E0 ₂ = 8, welche einen Störterm bildet. Alle höheren Oberwellen E0 ₃ etc. nehmen nur langsam in ihrer Amplitude ab. Diese Form der Anregung hat somit den Nachteil, dass die Oberwellen E0 ₂ 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 E0 ₂ 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 E0 ₂ 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 E0 ₂ 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 E0 ₂ 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 U _m die magnetische Spannung, μ ₀ 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 U _m 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 E0 ₂ 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 h ₀ , der hier ein beliebig wählbarer Nullabstand h ₀ sein kann, mit der Höhe h(ö) des Eisenkerns wie folgt im Zusammenhang steht: d( ) = h ₀ - h( )

Soll eine sinusförmige magnetische Anziehungskraft als Beispiel einer stetigen harmonischen magnetischen Anziehungskraft 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 E0 ₁₍ d.h. eine stärkere Amplitude der grundharmonischen Anregungsfrequenz E0 ₁₍ angeregt werden als die störenden Oberwellen E0 ₂ .

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 E0 ₂ 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

h ₀ Nullabstand in der Höhe Z; Höhe Z des kleinsten Minimums 16

μ ₀ magnetische Feldkonstante

r radiale Richtung zur vertikalen Richtung Z

R _m magnetischer Widerstand des Eisenkerns 10, 13, 14

ϋ Umfangswinkel um vertikale Richtung Z

U Umfangsrichtung senkrecht zur radialen Richtung r

U _m magnetische Spannung

Z vertikale Richtung; Höhe

ED, i-te Anregungsfrequenz

EO ₀ konstanter Term der Anregungsfrequenzen

EO erste bzw. grundharmonische Anregungsfrequenz

E0 ₂ zweite Anregungsfrequenz bzw. erste Oberwelle

E0 ₃ 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