GÖDECKE, Andreas (Beblostr. 1, München, 81677, DE)
MOCK, Randolf (Weissdornbogen 15, Hohenbrunn, 85662, DE)
TUMP, Christian (Heimeranstr. 52, München, 80339, DE)
BACHMAIER, Georg (Kohlstraße 2, München, 80469, DE)
GÖDECKE, Andreas (Beblostr. 1, München, 81677, DE)
MOCK, Randolf (Weissdornbogen 15, Hohenbrunn, 85662, DE)
TUMP, Christian (Heimeranstr. 52, München, 80339, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Wuchtung einer Welle (1) für eine rotierende Maschine, insbesondere für einen Turbolader, in der die Welle über eine Anzahl von Lagern gelagert wird, bei dem: a) die Welle (i) im eingebauten Zustand in der Maschine rotiert wird und an zumindest einer Messstelle (Ml, M2) die Auslenkung (ux, i , uy, i , uX 2 , UYj2) der We11e (1) in radialer Richtung während der Rotation gemessen wird; b) aus der gemessenen Auslenkung (ux, ; , uy> i , uXi2, uy_2) ein oder mehrere Unwuchtparameter (AI , A2 ) zur Charakterisierung der Unwucht der Welle (1) und hieraus ein oder mehrere Ausgleichsparameter zum Ausgleich der Unwucht ermittelt werden; c) die Welle (1) im eingebauten Zustand basierend auf dem oder den Ausgleichsparametern gewuchtet wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1 ) mit einer oder mehreren Drehzahlen in zumindest einem Drehzahlbereich rotiert wird, in dem die erste oder eine höhere Biegemode einer BiegeSchwingung der Welle (1) auftritt , und für diese Biegemode der oder die Unwuchtparameter (AI , A2 ) sowie der oder die Ausgleichsparameter ermittelt werden . 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) über ein oder mehrere aktive Magnetlager (2 , 3 ) in der Maschine gelagert wird, wobei die Magnetkraft eines j eweiligen aktiven Magnetlagers (2, 3 ) basierend auf einer Messung der Auslenkung der Welle (1) im Magnetlager (2 , 3) geregelt wird und diese Messung der Auslenkung auch zur Ermittlung des oder der Unwuchtparameter (AI , A2 ) verwendet wird . 3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der Magnetlager (2, 3) sensorlose Magnetla ger sind, welche ohne separate Sensoren die Auslenkung der Welle (1 ) im Magnetlager (2 , 3 ) detektieren, und/oder ein oder mehrere der Magnetlager (2 , 3 ) einen oder mehrere sepa rate Sensoren zur Messung der Auslenkung der Welle (1) im Magnetlager (2 , 3) umfassen 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein rotordynamisches Simu1ationsmode11 der Welle (1) an das oder die ermittelten Unwuchtparameter (AI, A2) angepasst wird und aus dem angepassten rotordynamischen Simulationsmodell das oder die Ausgleichsparameter abgeleitet werden. 5. Verfahren nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass als Unwuchtparameter die Amplitudenwerte (AI , A2 ) der Auslenkungen (ux, !, uy> i , uXi2, uY;2) der Welle (1) an der zumindest einen Messstelle {Ml, M2) für eine Vielzahl von Drehzahlen in dem zumindest einen DrehzahIbereich ermittelt werden und an diese Amplitudenwerte (AI, A2) eine vorgegebene Resonanzkurve gefittef wird, welche anschließend zur Anpassung des rotordynamischen Simulationsmodells verwendet wird. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) in Schritt c) während der Rotation über eine Abtragung von Material, insbesondere mittels Laser und/oder Funken-Erosion, gewuchtet wird. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation der Welle (1) in Schritt c) gestoppt wird und anschließend die Wuchtung der Welle (1) über Anbohren der Welle (1) und/oder die Anbringung von Ballastgewichte an die Welle (1) erfolgt. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) ferner mit einer Drehzahl in einem Drehzahlbereich rotiert wird, in dem keine Biegeschwingungen der Welle (1) auftreten, und für diese Drehzahl die statische und/oder dynamische Unwucht bestimmt wird, welche im Rahmen der Wuchtung ausgeglichen werden. 9. Vorrichtung zur Wuchtung einer Welle (i) für eine rotie¬ rende Maschine, insbesondere für einen Turbolader, in der die Welle (1) übe eine Anzahl von Lagern ( 2 , 3) gelagert wird, umfassend: - eine Rotations- und Messeinrichtung zur Rotation der Welle (1) im eingebauten Zustand in der Maschine und zum Messen der Auslenkung (uXi i , rl, uXt2> , 2) der Welle (i) in radi¬ aler Richtung an zumindest einer Messstelle {Ml, M2) wäh¬ rend der Rotation; - eine Berechnungseinrichtung, mit der aus der gemessenen Auslenkung (uXi . , uyri, uXj2f UYj2) ein oder mehrere Unwucht¬ parameter (AI, A2) zur Charakterisierung der Unwucht der Welle (1) und hieraus ein oder mehrere Ausgleichsparameter zum Ausgleich der Unwucht ermittelt werden; - eine Wuchteinrichtung, mit der die Welle (1) im eingebau¬ ten Zustand basierend auf dem oder den Ausgleichsparame¬ tern gewuchtet wird; dadurch gekennzeichnet , dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist , dass die Welle (1) mit einer oder mehreren Drehzahlen in zumindest einem Dreh- zahlbereich rotiert wird, in dem die erste oder eine höhere Biegemode einer BiegeSchwingung der Welle (1) auftritt , und für diesen Biegemode der oder die Unwuchtparamete sowie der oder die Ausgleichsparameter ermittelt werden . 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist , dass mit der Vor¬ richtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8 durchführbar ist . |
Verfahren zur Wuchtung einer Welle für eine rotierende Maschine, insbesondere für einen Turbolader
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wuchtung einer Welle für eine rotierende Maschine, insbesondere für einen Turbolader . Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konzepte bekannt , wie Wellen in rotierenden Maschinen geeignet gelagert werden können . Für schnell drehende Maschinen, wie z.B. Turbolader, können z.B. aktive Magnetlager eingesetzt werden, über welche die Welle mittels Magnetkraft ohne Berührung der umgebunden mechanischen Strukturen gelagert wird.
Von entscheidender Bedeutung für die sichere Funktion einer Welle in einer rotierenden Maschine ist deren präzise und sorgfältige Wuchtung. In der Druckschrift DE 10 2008 034 342 AI wird ein Verfahren zum Wuchten einer magnetisch gelagerten Welle in einem Abgasturbolader beschrieben, wobei im eingebauten Zustand der We11e die Unwucht basierend auf der Ermittlung der Position bzw . Auslenkung der Welle über die magnetische Lagerung bestimmt wird . Anschließend erfolgt die Wuchtung der Welle über einen Abtrag bzw . Auftrag von Material , wobei hierzu die Welle gegebenenfalls nicht aus dem Abgasturbolader ausgebaut werden muss .
Mit dem Verfahren der Druckschrift DE 10 2008 034 342 AI kann die durch Unwucht verursachte Taumelbewegung einer Welle reduziert werden . Dieses Verfahren berücksichtigt jedoch nicht Unwuchten, die im Betrieb der rotierenden Maschine mit überkritischen Drehzahlen auftreten . Bei solchen Drehzahlen kann die Rotorwelle nicht mehr als starrer Körper betrachtet wer- den, sondern es treten BiegeSchwingungen auf . Dabei wird eine erste Biegemode und gegebenenfalls auch höhere Biegemoden von Schwingungen angeregt . Hierdurch entstehen weitere Unwuchtef- fekte, die im unterkritischen Drehzahlbereich der Rotorwelle nicht auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Welle in einer rotierenden Maschine derart zu wuchten, dass Unwuchten auch für überkritische Drehzahlen der Welle ausgeglichen werden .
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9 gelöst . Weiter- bildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert .
Das er findungsgemäße Verfahren dient zur Wuchtung einer Welle für eine rotierende Maschine, wobei die rotierende Maschine insbesondere ein Turbolader und besonders bevorzugt ein Abgasturbolader ist, der beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt . Die Welle wird dabei über eine Anzahl vo Lagern in der rotierenden Maschine gelagert . Er findungsgemäß wird in einem Schritt a ) die Welle im eingebauten Zustand in der Maschine rotiert, wobei während dieser Rotation an zumindest einer Messstelle und vorzugsweise an zwei Messstellen die Auslenkung der Welle in radialer Richtung gemessen wird . Aus dieser gemessenen Auslenkung werden dann in einem Schritt b) ein oder mehrere Unwuchtparameter zur Charakterisierung der Unwucht der Welle und hieraus ein oder mehrere Ausgleichsparameter zum Ausgleich der Unwucht ermittelt .
Schließlich wird die Welle im eingebauten Zustand basierend auf dem oder den Ausgleichsparametern gewuchtet . Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus , dass die Welle in Schritt a) mit einer oder mehreren Drehzahlen in zumindest einem Drehzahlbereich rotiert wird, in dem die erste oder eine höhere Biegemode einer BiegeSchwingung der Welle auftritt , wobei für diese Biegemode der oder die Unwuchtpara- meter sowie der oder die Ausgleichsparameter ermittelt wer- den .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine klassische Wuchtung einer Welle für Drehzahlen, bei denen die Welle einen starren Körper darstellt, für schnell rotierende Maschinen nicht mehr ausreichend ist. In diesem Fall ist es erforderlich, dass die bei hohen Drehzahlen auftretenden Un- wuchten, welche durch Biegeschwingungen der Welle hervorgeru- fen werden, geeignet ausgeglichen werden.
In einer besonders bevorzugten Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Welle gewuchtet, welche über eine oder mehrere aktive Magnetlager in der Maschine ge- lagert wird, wobei die Magnetkraft eines jeweiligen aktiven Magnetlagers basierend auf einer Messung der Auslenkung der Welle im Magnetlager geregelt wird. Dabei wird diese Messung der Auslenkung auch dazu verwendet, die Unwuchtparameter der Welle zu ermitteln . Gemäß dieser Ausführungs form ist es somit nicht erforderlich, separat Messeinrichtungen an der Welle anzubringen, um Unwuchtparameter zu bestimmen . Vielmehr können die bereits im Rahmen der Lagerung der Welle vorgesehenen Messmittel zur Bestimmung der Unwucht eingesetzt werden . Die oben beschriebenen Magnetlager können sensorlose Magnetlager sein, welche ohne separate Sensoren die Auslenkung der Welle im Magnetlager detektieren . Diese Detektion erfolgt z.B. über eine Induktivitätsmessung mit Hilfe des oder der die Magnetkraft erzeugenden Elektromagneten des Lagers . Gege- benenfalls besteht jedoch auch die Möglichkeit , dass ein oder mehrere der Magnetlager einen oder mehrere separate Sensoren zur Messung der Auslenkung der Magnetlager umfassen . Solche Sensoren können z.B. optische Sensoren, kapazitive Sensoren bzw . Wirbelstromsensoren sein .
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Ausgleichsparameter derart, dass ein rotordynamisches Simulationsmodell der Welle an das oder die ermittelten Unwuchtparameter angepasst wird und aus dem angepassten rotordynamischen Simulationsmodell das oder die Ausgleichsparameter abgeleitet werden . Die Beschreibung der Dynamik einer Welle über rotordynamische Simulationsmodelle ist an sich aus de Stand der Technik bekannt . Erfin- dungsgemäß wird die zu wuchtende Welle zunächst mit einem solchen Simulationsmodell beschrieben, wobei dieses Modell jedoch noch nicht auf die tatsächlich vorhandenen Un uchten der Welle angepasst ist. Diese Unwuchten werden somit durch freie Parameter in dem Modell repräsentiert . Diese freien Parameter werden an die ermittelten Unwuchtparameter angepasst, woraufhin mit dem angepassten rotordynamischen Simulationsmodell entsprechende Ausgleichsparameter zum Ausgleich der Unwucht ermittelt werden können . Die Bestimmung entsprechender Ausgleichsparameter unter Verwendung eines rotordynamischen Simulationsmodells, insbesondere in der Form eines Materialauftrags bzw. -abtrags an geeigneten Stellen in radialer bzw. axialer Richtung der Welle, ist dem Fachmann an sich bekannt . In einer besonders bevorzugten Aus führungs form werden als Unwuchtparameter die Amplitudenwerte der Auslenkungen der Welle an der zumindest einen Messstelle für eine Vielzahl von Drehzahlen in dem zumindest einen Drehzahlbereich ermittelt, wobei an diese Amplitudenwerte eine vorgegebenen Resonanzkurve gefittet wird, welche anschließend zur Anpassung des rotordynamischen Simulationsmodells verwendet wird . Man macht sich hierbei die Erkenntnis zunutze, dass die Form einer Resonanzkurve im überkritischen Betrieb bei Anregung der ersten oder höherer Biegemoden bekannt ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass für jede Biegemode eine Resonanz bei einer entsprechenden Resonanz frequenz auftritt , welche auch als überkritische Resonanz frequenz bezeichnet wird . Im Rahmen der Erfindung werden die Unwuchtparameter vorzugsweise in einem Drehzahlbereich unterhalb der Resonanzfrequenz der entsprechenden Bie- gemode ermittelt . In der detaillierten Beschreibung wird ein konkretes Ausführungsbeispiel erläutert , wie eine Resonanzkurve basierend auf ermittelten Amplitudenwerten gefittet wird . In einer besonders bevorzugten Aus führungs form erfolgt die
Wuchtung der Welle in Schritt c) während deren Rotation über die Abtragung vo Material , z.B. mittels Laser und/oder Funkenerosion . Auf diese Weise kann eine schnelle Wuchtung im eingebauten Zustand der Welle erreicht werden. Gegebenenfalls besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Rotation der Welle in Schritt c) gestoppt wird und anschließend über Anbohren der Welle und/oder die Anbringung von Baiastgewichten die Wuchtung der Welle erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform, des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auch Unwuchten im unterkritischen Betrieb der Welle ausgeglichen . In diesem Fall wird die Welle ferner mit einer Drehzahl in einem Drehzahlbereich rotiert , in dem keine BiegeSchwingungen der Welle auftreten, wobei für diese Drehzahl die statische und/oder dynamische Unwucht bestimmt wird und anschließend im Rahmen der Wuchtung in an sich bekannter Weise ausgeglichen wird .
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betri fft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Wuchtung einer Welle für eine rotierende Maschine, insbesondere für einen Turbolader, in der die Welle über eine Anzahl von Lagern gelagert wird. Die Vor- richtung umfasst dabei eine Rotations- und Messeinrichtung zur Rotation der Welle im eingebauten Zustand in der Maschine und zum Messen der Auslenkung der Welle in radialer Richtung an zumindest einer Messstelle während der Rotation . Ferner ist eine Berechnungseinrichtung vorgesehen, mit der aus der gemessenen Auslenkung ein oder mehrere Unwuchtparameter zur Charakterisierung der Unwucht der Welle und hieraus ein oder mehrere Ausgleichsparameter zum Ausgleich der Unwucht ermittelt werden . Die Vorrichtung beinhaltet ferner eine Wuchteinrichtung, mit der die Welle im eingebauten Zustand basierend auf dem oder den Ausgleichsparametern gewuchtet wird .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus , dass sie die Welle mit einer oder mehreren Drehzahlen i zumindest einem Drehzahlbereich rotiert, in dem die erste oder eine höhere Biegemode eine BiegeSchwingung der Welle auftritt , wobei für diese Biegemode der oder die Unwuchtparameter sowie der oder die Parameter zum Ausgleich der Unwucht ermittelt werden . Die Vorrichtung ist dabei vorzugsweise der- art ausgestaltet, dass eine oder mehrere der oben beschriebe ¬ nen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung durchführbar sind. Insbesondere wird die Messeinrichtung der Vorrichtung durch an sich in der rotie- renden Maschine vorhandenen Komponenten, d.h. durch Positi ¬ onssensoren in Magnet lagern bzw. sensorlose Magnetlager , ge ¬ bildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Fig. 1 und Fig. 2 detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer über sensorlose
Magnetlager gelagerten Welle eines Turboladers zur
Erläuterung einer Variante der erfindungsgemäßen Wuchtung; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung, welche basierend auf der Welle der Fig. 1 die bei höheren Drehzahlen auftretende erste Biegemode einer Biegeschwingung verdeutlicht .
Nachfolgend wird anhand der in Fig. 1 gezeigten Welle 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wuchtung beschrieben.
Die Welle 1 ist Bestandteil eines nicht weiter gezeigten Tur ¬ boladers , wobei an den Enden der Welle ein Turbinenrad 101 bzw. ein Verdichterrad 102 des Laders befestigt sind. Die Welle umfasst in ihrem zentralen Bereich einen Flansch 103, an dem ein schematisch angedeutetes Magnetlager 4 vorgesehen ist, mit dem die Welle in axialer Richtung gelagert ist. Fer ¬ ner sind an der Welle zwei ebenfalls schematisch dargestellte Magnetlager 2 und 3 angeordnet, mit denen die Welle in radia ¬ ler Richtung gelagert ist. Es handelt sich bei diesen Magnet- lagern um sensorlose Magnetlager, welche ohne weitere externe Sensorik über eine entsprechende Bestromung von Elektromagne ¬ ten die Welle geeignet lagern. Dabei wird die Auslenkung der Welle über eine Induktivitätsmessung mit Hilfe der Elektro- magneten ermittelt und basierend darauf das Magnetfeld der Elektromagneten geeignet geregelt, so dass die Welle in radi ¬ aler Richtung in Position gehalten wird. Es besteht gegebe ¬ nenfalls auch die Möglichkeit, anstatt bzw. zusätzlich zu sensorlosen Magnetlagern andere Typen von Magnetlagern mit darin integrierten Positionssensoren zu verwenden, welche se ¬ parat die Position der Welle messen.
In der Ausführungsform der Fig. 1 wird an den Messstellen Ml und M2 die Position der Welle in radialer Richtung bestimmt. Für die Messposition Ml werden dabei die Auslenkungskomponen ¬ ten u Xi i und u y , ! und für die Messposition Ml die Auslenkungs ¬ komponenten u x , 2 und u y _ 2 ermittelt. Die x-Achse ist dabei die in die Blattebene hinein laufende Achse und die y-Achse ist die senkrecht zur x-Achse nach oben verlaufende Achse. Die z- Achse entspricht der axialen Richtung der Welle. Die Positio ¬ nen der Welle an den einzelnen Messstellen können wie oben beschrieben entweder über die sensorlosen Magnetlager oder gegebenenf lls über zusätzliche Positionssensoren ermittelt werden.
Ein erfindungswesentlicher Aspekt ist die Wuchtung der Welle in einem Drehzahlbereich, in dem Biegeschwingungen der Welle auftreten. Zusätzlich ist es jedoch auch möglich, entspre- chende Unwuchtparameter in niedrigeren Drehzahlbereichen zu bestimmen und auch in diesen DrehZahlenbereichen eine Wuch ¬ tung durchzuführen . Zunächst wird eine solche Wuchtung in niedrigeren Drehzahlbereichen erläutert. Aus den obigen Positionswerten u X| i (t) , u Xi ? ( t ) , u y _i (t) und u Y/ 2 ( t ) , welche während der Rotation der Welle bei niedriger Drehzahl und damit niedriger Winkelfrequenz ω bestimmt wer ¬ den, kann für jede der Messpositionen i (i = 1, 2) die fol ¬ gende zeitabhängige komplexe Größe bestimmt werden: (i) · Diese Größe z L (t) wird über einen Zeitraum t = 0, T gemes ¬ sen, wobei T der Periodendauer der Kreis frequenz ω gemäß der Drehzahl entspricht . Aus der Größe kann das folgende Auslen ¬ kungssignal W, bestimmt werden :
Wird anstatt der Periodendauer T über ein Vielfaches dieser Periodendauer integriert, liefert Wi ein Signal hoher Quali ¬ tät. Dabei ist es wichtig, dass die Kreissequenz co präzise bekannt ist. Diese kann z.B. über optische Messungen an mar ¬ kanten Strukturen der Welle (z.B. mitdrehende Teile) ermit ¬ telt werden .
Basierend auf dem obigen Auslenkungssignal Wi kann nunmehr ein statischer Unwuchtparameter S sowie ein dynamischer Un uchtparameter D in an sich bekannter Weise wie folgt be ¬ stimmt werden: S=—(W 1 +W 2 ) , (3)
Mit Hilfe der bekannten Masse m des Rotors und des bekannten Abstands b zwischen den Messstellen Ml und M2 kann mit den obigen Parametern der Betrag der statischen Unwucht {in Kilo ¬ gramm pro Meter) als w-|s| und die Position der statischen
Unwucht als Winkelwert Φ(Ξ) = atan bestimmt werden. Dabei
M(S)
bezeichnet (S) den Realteil und 3(5) den Imaginärteil der statischen Unwucht. Analog kann der Betrag der dynamischen Unwucht (in Kilogramm pro Quadratmeter) als mb-| | und die
Position der dynamischen Unwucht als Orientierungswinkel
Φ(£>) bestimmt werden. Mit Hilfe der Orientierungswinkel Φ(8) bzw. O( ) der statischen und dynamischen Unwucht kann dann in an sich bekannter Weise eine Wuchtung der Welle erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wuchtung wäh ¬ rend der Rotation der Welle durch Materialabtrag {z.B. mit ¬ tels eines Lasers oder Funkenerosion) erreicht. Gegebenen- falls besteht auch die Möglichkeit, dass die Rotation der Welle gestoppt wird und anschließend zum Ausgleich der Un ¬ wucht an geeigneten Positionen Bohrlöcher vorgesehen werden. Eine entsprechende Berechnung, an welcher Stelle in Abhängig ¬ keit der ermittelten Unwuchtungen Material abzutragen ist bzw. Bohrlöcher vorzusehen sind, ist dabei an sich bekannt bzw . liegt im Rahmen von fachmännischem Handeln .
Die oben beschriebene Wuchtung in einem niedrigen Drehzahlbe ¬ reich, in dem die Welle im Wesentlichen einen starren Körper darstellt, reicht im sog. überkritischen Betrieb der Welle, bei der die Welle zu Biegeschwingungen angeregt wird, nicht mehr aus. Im überkritischen Betrieb ist die Anregung des ers ¬ ten Biegemode und gegebenenfalls höherer Biegemoden äußerst problematisch und kann bei einer Wuchtung, welche diese Bie- gemoden nicht berücksichtigt , zu unerwünscht großen Auslen ¬ kungen der Welle führen, welche unter Umständen eine Beschä ¬ digung des Turboladers nach sich ziehen können.
Nachfolgend wird eine erfindungsgemäße Variante einer Wuch- tung beschrieben, mit der die beim Auftreten der ersten Bie ¬ gemode erzeugte Unwucht ausgeglichen wird. Zum besseren Ver ¬ ständnis ist in Fig. 2 schematisch der Amplitudenverlauf der Auslenkung der Welle für die ersten Biegemode entlang der Ro ¬ tationsachse der Welle dargestellt. Die Amplitude ist dabei mit A und die axiale Position entlang der Welle mit z be ¬ zeichnet, wobei die Welle 1 nochmals im oberen Bereich der Fig. 2 wiedergegeben ist und ferner die entsprechenden Mess ¬ positionen Ml und M2 auf der Welle angedeutet sind. Der Amp ¬ litudenverlauf A (z) der ersten Biegemode umfasst zwei Schwin- gungsknoten Ni und N2 mit einer Auslenkung von 0, deren Posi ¬ tion auf der Welle durch die Pfeile PI und P2 angedeutet ist. Üblicherweise entsprechen die Positionen PI und P2 den Orten der Lagerung der Welle. Beim Einsatz eines aktiven Magnetla- gers liegen diese Schwingungs knoten j edoch nicht exakt am Ort des Lagers, so dass die entsprechenden Amplitudenwerte mittels der Magnetlager erfasst werden können. Gemäß Fig. 2 treten an den Messpositionen Ml und M2 die Amplitudenwerte AI und A2 auf .
Beim Auftreten der ersten Biegemode ist die Welle 1 nicht mehr als Starrkörper zu betrachten . Vielmehr umfasst die Welle drei schwingende Abschnitte, wobei sich ein erster Ab- schnitt von z = 0 bis zum Schwingungsknoten Nl, ein zweiter
Abschnitt zwischen Schwingungsknoten Nl und Schwingungsknoten N2 und ein dritter Abschnitt vom Schwingungs knoten N2 bis zum Ende der Welle erstreckt. Die einzelnen Abschnitte sind biegeweich aneinander angekoppelt . Demzufolge hat die oben be- schriebene einfache statische und dynamische Wuchtung nicht mehr den gewünschten Effekt, da sie eine Unwucht nur für einen Starrkörper kompensieren kann, nicht aber für eine Masseverteilung, wie dies im überkritischen Betrieb im Falle vo angeregten BiegeSchwingungen der Fall ist . Um somit auch die Anregung von BiegeSchwingungen aufgrund von Unwucht soweit zu unterdrücken, dass ein stabiler Betrieb des Rotors auch im überkritischen Bereich möglich ist, muss das Verfahren zur Auswuchtung in der Lage sein, eine unter Umständen komplexe Masseverteilung zu beeinflussen . Dies wird durch die nachfol- gend beschriebene Ausführungs form der Erfindung erreicht, welche eine Wuchtung der Welle für die erste Biegemode ermöglicht .
Im Rahmen des er findungsgemäßen Verfahrens ist zu berücksich- tigen, dass für die erste und auch für höhere Biegemoden eine sog . überkritische Frequenz existiert, gemäß der die entsprechende BiegeSchwingung in Resonanz versetzt wird . Die erste Biegemode tritt dabei bereits bei Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz auf . In einem entsprechend gewählten Dreh- zahlbereich der Welle unterhalb der Resonanzf equenz, in dem j edoch bereits die BiegeSchwingung der ersten Mode auftritt, werden in der hier beschriebenen Ausführungs form in Analogie zur oben beschriebenen Bestimmung der statischen und dynami- sehen Unwucht die Auslenkungssignale W t {co) bzw. die entsprechenden Unwuchten S(co) und D(ca) ermittelt. Der Verlauf der Auslenkungssignale in Abhängigkeit von der Drehzahl und damit der Winkelgeschwindigkeit ω entspricht dabei dem Verlauf einer Resonanzkurve, der sich durch folgende Gleichung beschreiben lässt :
Bei moderater Dämpfung ξ kann der Verlauf unterhalb der Resonanzfrequenz in guter Näherung wie folgt vereinfacht werden : ω 0 bezeichnet dabei die Resonanzfrequenz. Im Falle, dass eine Welle mit moderater Dämpfung zum Einsatz kommt, wird die Auswertung im Rahmen der Durchführung der Wuchtung vereinfacht, da der Verlauf von A ( ω ) offensichtlich nicht von der individuellen Dämpfung der Welle abhängig ist.
Über die Taylor-Entwicklung lässt sich der Verlauf von A ( c ) noch weiter wie folgt vereinfachen : Α(ω) = Α(ω = 0) +-·—^!-·ω+—· f -m 2 +... ^-(1+2·—) ( 7 ) .
U dm 21 d to 0
Eine Korrektur der in der obigen Formel nicht berücksichtigten Terme höherer Ordnung liefert eine noch genauere Beschreibung des Verlaufs der Resonanzkurve basierend auf fol- gender Gleichung:
Erfindungsgemäß werden nunmehr die Werte der Amplitude A 0 bzw. der Resonanzfrequenz co 0 der obigen Funktion (5) an die entsprechend gemessenen Werte der Auslenkungssignale Wi ( c ) bzw. gegebenenfalls S ( ) und D ( o ) angepasst. Zur Anpassung können dabei bei moderater Dämpfung auch die angenäherten Funktionen gemäß Gleichungen (6), (7) bzw. (8) verwendet wer ¬ den. Auf diese Weise erhält man für die gemessenen Wi ( co ) , S ( co ) und D ( co ) die entsprechenden Ampiitildenwerte W 0 , S 0 und D 0 sowie die Resonanzfrequenz co 0 . Diese Größen können als Un- wuchtparameter im Sinne der Ansprüche eingestuft werden.
Basierend auf diesen Größen kann dann ein rotordynamisches Simulationsmodell so abgestimmt werden, dass dessen Verhalten mit der vermessenen Welle übereinstimmt. Rotordynamische Si ¬ mulationsmodelle zum Beschreiben des dynamischen Verhaltens von rotierenden Körpern sind dabei an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Eine Anpassung eines solchen Modells an die oben beschriebenen Größen W 0 , S 0 , D 0 sowie co 0 liegt dabei im
Rahmen von fachmännischem Handeln und wird deshalb nicht nä ¬ her beschrieben. Basierend auf dem angepassten Simulationsmo ¬ dell kann dann die Dynamik der betrachteten Rotorwelle über eine Finite-Element-Rechnung ermittelt werden, woraus sich die modale Masse m, die modale Steifigkeit k sowie der gyro ¬ skopische Faktor g und auch die obige, in Fig. 2 gezeigte Biegelinie A ( z ) der ersten Biegemode ergibt. Mit dieser Kenntnis können dann diejenigen Stellen bzw. Abschnitte auf der Rotorwelle bestimmt werden, an denen Material zur Wuch- tung im überkritischen Betrieb abzutragen ist bzw. gegebenen ¬ falls anzubringen ist .
Zusammenfassend wird gemäß der oben beschriebenen Ausfüh ¬ rungsform der Erfindung an zwei Messstellen auf der Rotorwel- le die Auslenkungsamplitude der Welle in Abhängigkeit von der Drehzahl im überkritischen Betrieb bestimmt und daraus mit Hilfe eines rotordynamischen Simulationsmodell entsprechende Ausgleichsparameter für die Wuchtung abgleitet . Das Verfahren ist dabei nicht auf die Verwendung für die erste Biegemode beschränkt, sondern kann gegebenenfalls auch für höhere Biegemoden analog verwendet werden .
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird eine Wuchtung an der eingebauten und funktionsfähigen Rotorwelle ermöglicht. Das heißt, das Antriebssystem kann vollständig zusammengebaut und dann im zu- sammengebauten Zustand gewuchtet werden. Dies hat zur Folge, dass das Antriebssystem erheblich preiswerter gefertigt werden kann, als dies bei klassischer Wuchttechnik der Fall ist, bei der die Wuchtung der Rotorwelle mit einer separaten Wuchtmaschine erfolgt. Gemäß der oben beschriebenen Ausfüh- rungsform, bei der das schnell drehende Rotationssystem eines Turboladers mit Rotationsgeschwindigkeiten von bis zu 300000 Umdrehungen pro Minute gewuchtet wird, können erhebliche Kosten bei der Fertigung eingespart werden, da bis zu 30% der Fertigungskosten eines Turboladers auf die Wuchtung entfallen können .
Wird das erfindungsgemäße Verfahren in Kombination mit einer Lagerung der Rotorwelle über sensorlose Magnetlager verwendet, werden darüber hinaus keine externen Sensoren zur Posi- tionsbeStimmung der Welle benötigt, da das Magnetlager in diesem Fa11 gleichzeitig als Aufhängung und als Sensor fungiert . Werden demgegenüber zur Lagerung der Welle aktive Magnetlager unter Verwendung von Sensoren eingesetzt , so können diese Sensoren auch für die Wuchtung verwendet werden . Es ist somit keine temporäre Anbringung von Sensoren speziell für die Wuchtung im RotationsSystem erforderlich . Im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren werden basierend auf der Erfindung entsprechende Unwuchten im überkritischen Betrieb der Welle bei hohen Rotationsf equenzen kompensiert . Zusätzlich kann ferner auch die statische und dynamische Unwucht ausgeglichen werden .
Next Patent: ELECTROMAGNETIC WAVE POLARIZER SCREEN