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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum dynamischen Messen der Unwucht
eines in einem Gehäuseabschnitt
drehbar gelagerten Turbinenrotors, bei welchem der Gehäuseabschnitt
an einer Trägervorrichtung
unter Zwischenschaltung wenigstens eines Federelements befestigt
wird, das so ausgebildet ist, dass der Gehäuseabschnitt mindestens zwei
Freiheitsgrade zum Schwingen relativ zur Trägervorrichtung hat, der Turbinenrotor
durch Beaufschlagung mit einem mit einem ersten Druck zugeführten Antriebsfluid
auf eine erste Winkelgeschwindigkeit beschleunigt und durch Unwucht
induzierte Schwingungen des Gehäuseabschnitts
gemessen werden, während
der Rotor mit der ersten Winkelgeschwindigkeit dreht. Die Erfindung
betrifft ferner eine Vorrichtung zum dynamischen Messen der Unwucht
eines in einem Gehäuseabschnitt
drehbar gelagerten Turbinenrotors mit einer Trägervorrichtung, die wenigstens
ein Federelement aufweist, an dem der Gehäuseabschnitt derart befestigbar
ist, dass er mindestens zwei Freiheitsgrade zum Schwingen relativ
zur Trägervorrichtung
hat, einem an der Trägervorrichtung befestigten
Turbinengehäuse
mit einem Zuführkanal, der
zur Zuführung
eines Antriebsfluids und zur Beaufschlagung des Turbinenrotors mit
dem Antriebsfluid ausgebildet ist.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus
WO 2007/054445 A1 bekannt.
Sie dienen dazu, die Unwucht von Turbinenrotoren für abgasgetriebene
Turbolader zu messen, wobei zur Erzielung einer möglichst
hohen Genauigkeit nur eine sogenannte Turboladerrumpfgruppe, die
aus dem Turbinenrotor und einem die Lagerung des Turbinenrotors
enthaltenden Gehäuseabschnitt
besteht, in eine Unwuchtmessvorrichtung eingesetzt wird, wobei die
Unwuchtmessvorrichtung fehlende und benötigte Gehäuseteile durch analog gestaltete
Vorrichtungsteile, z. B. ein Turbinengehäuse, ersetzt. Hierdurch kann
die mitschwingende Masse des federnd gelagerten Messaufbaus klein gehalten
werden und massebedingte Einflüsse
auf die Unwuchtmessung können
reduziert werden. Die Messung der Rotorunwucht erfolgt vorzugsweise
bei einer im Wesentlichen der normalen Arbeitsgeschwindigkeit entsprechenden
Winkelgeschwindigkeit des Turbinenrotors, wobei das Turbinenrad
des Turbinenrotors in einem Turbinengehäuse der Messvorrichtung angeordnet
ist und durch die Beaufschlagung mit Druckluft auf die zur Messung
erforderliche Winkelgeschwindigkeit beschleunigt wird. Das Turbinengehäuse ist
feststehend angeordnet und durch ausreichend große Freiräume von der Turboladerrumpfgruppe
und dem schwingenden Teil ihrer Lagerung getrennt. Über diese
notwendigen Zwischenräume kann
daher ein Teil der zum Antrieb des Turbinenrotors zugeführten Druckluft
entweichen, was wegen des damit verbundenen Verlustes an Druckenergie und
der Geräuschentwicklung
als unerwünscht
angesehen wird.
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Aus
DE 689 05 480 T2 ist
ein Verfahren zum dynamischen Messen der Unwucht eines mit hoher Geschwindigkeit
drehbare Rotors eines abgasangetriebenen Turboladers bekannt, bei
dem das Turboladermittelgehäuse,
in dem der Rotor gelagert ist, mit das Turbinenrad und das Verdichterrad
umschließenden
Gehäuseteilen
fest verbunden wird und die so gebildete Einheit mit Hilfe von biegsamen
Balgschläuchen,
die an den Gehäuseteilen
angreifen, in einem Rahmen in allen drei Raumrichtungen bewegbar
weich gelagert wird. An den Gehäuseteilen
sind Beschleunigungsaufnehmer angeordnet, deren Beschleunigungssignale
in Verbindung mit einem optisch gemessenen Phasenwinkel zur Bestimmung von
Größe und Lage
der Unwucht verarbeitet werden.
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Aus
DE 197 54 321 A1 ist
es bekannt bei der Unwuchtbestimmung eines Aggregats mit einem in einem
Gehäuse
gelagerten Rotor das Gehäuse über ein
elastisches Zwischenelement in einer Trägervorrichtung zu lagern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zum Messen der Unwucht des Turbinenrotors eines Abgasturboladers anzugeben.
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Weiterhin
ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Unwuchtmessung
von Rotoren für
Abgasturbolader zu schaffen.
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Die
genannte Aufgabe wird nach der Erfindung durch das in Anspruch 1
angegebene Verfahren und die in Anspruch 4 angegebene Vorrichtung
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und
3 und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 5 bis
11 angegeben.
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Das
Verfahren nach der Erfindung umfasst die Schritte:
Befestigen
des Gehäuseabschnitts
an einer Trägervorrichtung
unter Zwischenschaltung wenigstens eines Federelements, das so ausgebildet
ist, dass der Gehäuseabschnitt
mindestens zwei Freiheitsgrade zum Schwingen relativ zur Trägervorrichtung
hat,
Beschleunigung des Turbinenrotors durch Beaufschlagung
mit einem mit einem ersten Druck zugeführten Antriebsfluid auf eine
erste Winkelgeschwindigkeit und Messen der durch Unwucht induzierten Schwingungen
des Gehäuseabschnitts,
während
der Turbinenrotor mit der ersten Winkelgeschwindigkeit dreht,
Beschleunigung
des Turbinenrotors durch Beaufschlagung mit einem mit einem zweiten,
höheren Druck
zugeführten
Antriebsfluid auf eine zweite, höhere
Winkelgeschwindigkeit und Kuppeln von Gehäuseabschnitt und Trägervorrichtung
durch ein Schwingungen dämpfendes
Dämpfungselement
und Messen der durch Unwucht induzierten gedämpften Schwingungen des Gehäuseabschnitts,
während
der Turbinenrotor mit der zweiten, höheren Winkelgeschwindigkeit
dreht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass die Unwucht des Turbinenrotors eines Abgasturboladers
in der gleichen Vorrichtung und in einer Aufspannung sowohl bei
einer niedrigen Winkelgeschwindigkeit als auch bei einer hohen,
der Arbeitsgeschwindigkeit entsprechenden Winkelgeschwindigkeit
gemessen werden kann, wodurch die Genauigkeit der Messung verbessert
wird. Selbst erregte Schwingungen des Schwingsystems der Auswuchtvorrichtung,
die bei mit hoher Winkelgeschwindigkeit umlaufendem Turbinenrotor
auftreten und problematisch sein können, werden durch das Verbinden
des Gehäuseabschnitts
mit der Trägervorrichtung
durch ein Dämpfungselement
wirksam vermieden.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, wenn das Dämpfungselement pneumatisch
in Abhängigkeit
von dem Druck des zugeführten
Antriebsfluids mit dem Gehäuseabschnitt
gekuppelt wird. Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das
Dämpfungselement
dazu verwendet wird, um im gekuppelten Zustand den Freiraum zwischen
der Trägervorrichtung
und dem Gehäuseabschnitt
abzudichten und zu verhindern, dass bei höherem Druck Arbeitsfluid über den
Freiraum entweicht.
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Eine
vorteilhafte Vorrichtung zum dynamischen Messen der Unwucht eines
in einem Gehäuseabschnitt
drehbar gelagerten Turbinenrotors umfasst nach der Erfindung eine
Trägervorrichtung,
die wenigstens ein Federelement aufweist, an dem der Gehäuseabschnitt
derart befestigbar ist, dass er mindestens zwei Freiheitsgrade zum
Schwingen relativ zur Trägervorrichtung
hat, ein an der Trägervorrichtung
befestigtes Turbinengehäuse
mit einem Kanal, der zur Zuführung
eines Antriebsfluids und zur Beaufschlagung des Turbinenrotors mit
dem Antriebsfluid ausgebildet ist, wobei zwischen dem Turbinengehäuse und
dem Gehäuseabschnitt
ein Freiraum vorgesehen ist, ein an der Trägervorrichtung angeordnetes, Schwingungen
dämpfendes
Dämpfungselement, durch
das der Gehäuseabschnitt
und die Trägervorrichtung
miteinander kuppelbar sind, und wenigstens einen Messaufnehmer zum
Erfassen der Schwingungen des Gehäuseabschnitts.
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Das
Dämpfungselement
kann hierbei pneumatisch in Abhängigkeit
von dem Druck des zugeführten
Arbeitsfluids mit dem Gehäuseabschnitt
kuppelbar sein. Eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung
der Vorrichtung weist erfindungsgemäß einen mit dem federnd nachgiebigen Ende
des wenigstens einen Federelements fest verbundenen, ringförmigen Körper auf,
der zwischen dem Turbinengehäuse
und dem Gehäuseabschnitt angeordnet
ist und mit einer dem Turbinengehäuse zugekehrten Ringfläche an den
Freiraum angrenzt, wobei in einer der Ringfläche gegenüberliegenden Wand des Turbinengehäuses eine
Ringnut ausgebildet ist, in der ein ringförmiges Dämpfungselement angeordnet ist,
das durch einen bestimmten Druck des zugeführten Antriebsfluids an die
Ringfläche
andrückbar
ist. Durch diese Gestaltung wird auf einfach Weise das Kuppeln des
Dämpfungselements
in Abhängigkeit
vom Druck des zugeführten
Antriebsfluids bewirkt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
das Dämpfungselement
als Dichtring ausgebildet ist, durch den der Freiraum zwischen dem
Turbinengehäuse
und dem Gehäuseabschnitt
abdichtbar ist. Durch diese Weiterbildung wird gleichzeitig mit
dem Kuppeln des Dämpfungselements
auch der Ringraum verschlossen, so dass das zugeführte Arbeitsfluid nicht
mehr durch den Ringraum entweichen kann. Verluste an Arbeitsfluid
und unerwünschte
Strömungsgeräusche werden
damit unterbunden. Die das Dämpfungselement
aufnehmende Ringnut kann hierbei vorteilhaft so gestaltet sein,
dass das Dämpfungselement
in der Ringnut eine Lage einnimmt, in der es sich in einem Abstand von
der gegenüberliegenden
Wand des Gehäuseabschnitts
befindet und dass das durch den Freiraum entweichende Arbeitsfluid
bei höherem
Druck derart auf das Dämpfungselement
einwirkt, dass dieses aus der Ringnut heraustritt und sich dichtend
an die Wand des Gehäuseabschnitts
anlegt. Auf diese Weise wird der Freiraum verschlossen und der Gehäuseabschnitt
durch das Dämpfungselement
an das Turbinengehäuse
gekuppelt, so dass auftretende Resonanzschwingungen gedämpft werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das
in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen
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1 einen
Querschnitt einer Unwuchtmessvorrichtung nach der Erfindung mit
darin angeordneter Turboladerrumpfgruppe und
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
X in 1.
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Die
in 1 dargestellte Unwuchtmessvorrichtung weist ein
von einer Trägervorrichtung 1 gehaltenes
Turbinengehäuse 2 mit
einem spiralförmigen
Zuführkanal 3 und
einem Ausgangskanal 4 auf. Auf der dem Ausgangskanal 4 entgegengesetzten Stirnseite
hat das Turbinengehäuse 2 eine
ringförmige
Stirnplatte 5, die den Zuführkanal 3 stirnseitig
begrenzt und eine zentrale Öffnung
zur Aufnahme eines Turbinenrads hat. An der Trägervorrichtung 1 sind zwei
stabförmige
Federelemente 6 befestigt, die im Wesentlichen parallel
zur Mittelachse des Turbinengehäuses 2 ausgerichtet
und auf entgegengesetzten Seiten des Turbinengehäuses 2 angeordnet
sind. Jedes Federelement 6 ist mit einem Ende 7 mittels
einer Befestigungsvorrichtung 8 an der Trägervorrichtung 1 befestigt
und mit dem anderen Ende 9 an eine ringförmige Scheibe 10 angeschraubt,
die auf der Stirnseite des Turbinengehäuses 2 und in einem
geringen Abstand von dieser angeordnet und koaxial zum Turbinengehäuse 2 ausgerichtet
ist. Die Scheibe 10 trägt
eine ringförmige
Spannvorrichtung 11, die am äußeren Rand der Scheibe 10 auf
der den Federelementen 6 abgekehrten Seite angeordnet ist
und zum Festspannen eines Gehäuseabschnitts 12 einer Turboladerrumpfgruppe 13 dient.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weist der Gehäuseabschnitt 12 der
Turboladerrumpfgruppe 13 einen Flansch 14 auf,
der an seinem Umfangsrand von den Spannelementen der Spannvorrichtung 11 festgespannt
ist und in der dargestellten Spannposition seitlich an der Scheibe 10 anliegt.
Die Turboladerrumpfgruppe 13 umfasst neben dem Gehäuseabschnitt 12 einen
Turbinenrotor 17 mit einem Turbinenrad 15 und
einem Verdichterrad 16, die auf entgegengesetzten Seiten des
Gehäuseabschnitts 12 angeordnet
und an den Enden einer in dem Gehäuseabschnitt 12 drehbar gelagerten
Welle befestigt sind. In der eingespannten Lage befindet sich das
Turbinenrad 15 auf der Innenseite der Stirnplatte 5 im
Zentrum des Zuführkanals 3 und
ragt mit einem verjüngten
Endbereich in die Eintrittsöffnung
des Ausgangskanals 4 hinein. Die Öffnung in der Stirnplatte 5 und
die Innenkontur der Eintrittsöffnung
des Ausgangskanals 4 sind so bemessen, dass ein genügend großer Abstand
zum Turbinenrad 15 verbleibt, damit das Turbinenrad 15 nicht an
dem Turbinengehäuse 2 anstoßen kann,
wenn die Turboladerrumpfgruppe 13 während der Unwuchtmessung schwingt.
Das auf der anderen Seite des Gehäuseabschnitts 12 angeordnete
Verdichterrad 16 wird für
den Messlauf zur Strömungsführung und
aus Schutzgründen
durch eine Verdichtergehäuse
oder eine Schutzhaube abgedeckt.
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Wie 2 verdeutlicht,
ist zwischen der Stirnplatte 5 des Turbinengehäuses 2 und
der Scheibe 10 ein ringförmiger Freiraum 18 vorgesehen,
damit die Turboladerrumpfgruppe 13 frei schwingen kann.
Der Freiraum 18 ist an seinem radial inneren Rand durch
die Öffnung
in der Stirnplatte 5 mit dem Zuführkanal 3 verbunden.
Radial nach außen
ist der Freiraum 18 offen. Über den Zuführkanal 3 kann als Arbeitsfluid
zugeführte
Druckluft zur Beaufschlagung des Turbinenrads daher auch in den
Freiraum 18 gelangen und durch diesen nach außen entweichen.
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In
der Stirnplatte 5 ist auf der der Scheibe 10 zugewandten
Seite eine zum Freiraum 18 hin offene Ringnut 19 ausgebildet.
Die Ringnut 19 hat eine radial äußere, kegelstumpfförmige Seitenwand 20,
deren Durchmesser in Richtung auf den Freiraum 18 zunimmt.
Der Seitenwand 20 liegt eine radial innere Seitenwand 21 gegenüber, die
einen inneren, zylindrischen Abschnitt 211 und einen äußeren, kegelstumpfförmigen Abschnitt 212 aufweist.
Der Durchmesser des kegelstumpfförmigen
Abschnitts 212 nimmt in Richtung des Freiraums 18 zu
und die Neigung des kegelstumpfförmigen
Abschnitts 212 ist im Wesentlichen gleich oder größer als
die Neigung der Seitenwand 20. Die Seitenwand 21 ist
außerdem
an mehreren Stellen des Umfangs mit sich radial nach innen erstreckenden
und zum Freiraum 18 hin offenen Taschen oder Schlitzen 22 versehen.
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In
der Ringnut 19 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 23 angeordnet,
das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als O-Ring ausgebildet ist und aus gummielastischem Material besteht.
Anstelle eines O-Rings können
aber auch anders geformte Dämpfungselemente
vorgesehen sein. Das Dämpfungselement 23 hat
einen kreisförmigen
Querschnitt, dessen Durchmesser etwas größer ist als die Tiefe der Ringnut 19,
jedoch deutlich kleiner als der Abstand zwischen dem Boden der Ringnut 19 und der
Scheibe 10. Der Innendurchmesser des Dämpfungselements 23 ist
etwa gleich dem Außendurchmesser
des zylindrischen Abschnitts 211 der Seitenwand 212.
Dies hat zur Folge, dass das Dämpfungselement 23 durch
die Abschnitte 211 und 212 der Seitenwand 21 in
einer Ruhelage gehalten wird, in der es am Boden der Ringnut 19 anliegt
und einen maximalen Abstand von der Scheibe 10 hat.
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Zur
Unwuchtmessung wird der Turbinenrotor 17 der Turboladerrumpfgruppe 13 über das
Turbinenrad 15 angetrieben, wobei zunächst Druckluft mit einem ersten,
kleineren Druck über
den Zuführkanal 3 zugeführt wird.
Der erste, kleinere Druck ist hierbei so bemessen, dass der Turbinenrotor 17 nur
mit einer relativen niedrigen Drehzahl rotiert. Hierbei ist es wichtig,
dass der Freiraum 18 frei bleibt, damit die Turboladerrumpfgruppe 13 zum
Zwecke der Unwuchtmessung frei von äußeren Kräften und Momenten schwingen
kann. Dies ist auch gewährleistet,
weil bei dem niedrigeren ersten Druck die durch den Freiraum 18 strömende Luft
an dem Dämpfungselement 23 vorbeiströmt, ohne
dort ein nennenswertes Druckgefälle
hervorzurufen. Das Dämpfungselement 23 verbleibt
daher während
dieser Messphase in der in der Zeichnung voll dargestellten Ruheposition,
in der es in die Ringnut 19 zurückgezogenen ist.
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Wird
zur Unwuchtmessung bei hohen Drehzahlen der Druck der zugeführten Druckluft
am Eintritt in das Turbinenrad 15 auf einen zweiten, höheren Druck
erhöht,
um das Turbinenrad 15 auf die hohe Drehzahl zu beschleunigen,
so erhöht
sich entsprechend auch die Strömungsgeschwindigkeit
in dem Freiraum 18 und damit auch das Druckgefälle an dem
Dämpfungselement 23.
Dies hat zur Folge, dass das Dämpfungselement 23 aus
seiner Ruhelage heraus bewegt wird, wobei es sich dehnt, und entlang der
Seitenwand 20 in Richtung der Scheibe 10 verschoben
wird, bis es an der Scheibe 10 anliegt. In dieser gestrichelt
gezeichneten Stellung verschließt das
Dämpfungselement 23 den
Freiraum 18, so dass sich der höhere Druck im Zuführkanal 3 bis
zu dem Dämpfungselement 23 fortpflanzt
und das Dämpfungselement 23 in
dieser Stellung festhält.
Das Dämpfungselement 23 überbrückt somit
nun den Freiraum 18 und bewirkt dadurch eine Dämpfung der bei
Rotation mit hoher Drehzahl auftretenden Schwingungen. Das Entstehen
Selbsterregterschwingungen wird hierdurch vermieden, und die Schwingungsausschläge werden
auf ein gewünschtes
Maß reduziert.
Das Verschließen
des Ringraums 18 hat weiterhin den vorteilhaften Effekt,
dass die zugeführte
Luft nicht mehr durch den Freiraum 18 entweichen kann,
so dass hohe Luftverluste und störende
Strömungsgeräusche vermieden
werden.
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Wird
der Druck im Zuführkanal 3 wieder
auf einen niedrigen Wert abgesenkt, so überwindet das Dämpfungselement 23 mit
der durch die Dehnung hervorgerufenen Federkraft die dann geringere Druckkraft
und kehrt, geführt
durch den konischen Abschnitt 212 der inneren Seitenwand 21,
in seine Ausgangslage zurück.
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Die
beschriebene Vorrichtung zeichnet sich vor allem durch einen einfachen
Aufbau und eine zuverlässige
Wirkungsweise aus. Es sind im Rahmen der Erfindung aber auch andere
Gestaltungen des Dämpfungselements
möglich
und das Kuppeln des Dämpfungselements
mit dem schwingfähigen
Teil der Vorrichtung kann auch durch pneumatisch betätigbare
Kolben oder Membranen bewirkt werden.