Die Klingenresonanz verstehen

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Portabler Balancer & Schwingungsanalysator Balanset-1A

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Schwingungssensor

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Optischer Sensor (Laser-Tachometer)

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Balanset-4

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Magnetischer Ständer Größe-60-kgf

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Reflektierendes Band

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Dynamischer Balancer "Balanset-1A" OEM

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Definition: Was ist Klingenresonanz?

Klingenresonanz ist ein Resonanz Zustand, bei dem einzelne Schaufeln oder Flügel in Lüftern, Kompressoren, Turbinen oder Pumpen an einer ihrer Eigenfrequenzen als Reaktion auf Anregung durch aerodynamische Kräfte, mechanische Vibrationen oder elektromagnetische Effekte. Wenn die Anregungsfrequenz mit der Eigenfrequenz der Schaufel übereinstimmt, erfährt die Schaufel eine stark verstärkte Schwingung, wodurch hohe Wechselspannungen entstehen, die zu Hochzyklus führen können Ermüdung Risse und schließlich ein Versagen der Klinge.

Schaufelresonanz ist besonders gefährlich, da einzelne Schaufelschwingungen durch Standardmessungen der Lagergehäuseschwingungen möglicherweise nicht erkannt werden, die Schaufel selbst jedoch zerstörerischen Belastungen ausgesetzt ist. Sie ist ein kritischer Konstruktionsaspekt bei Turbomaschinen und kann bei Industrieventilatoren auftreten, wenn sich die Betriebsbedingungen von der Konstruktionsabsicht unterscheiden.

Eigenfrequenzen der Klinge

Grundmodi

Jede Klinge verfügt über mehrere Vibrationsmodi:

Erster Biegemodus

• Einfache Auslegerbiegung (Verschiebung der Blattspitze)
• Niedrigste Eigenfrequenz
• Am leichtesten zu erregen
• Typischer Bereich: 100–2000 Hz, abhängig von der Blattgröße und -steifigkeit

Zweiter Biegemodus

• S-Kurven-Biegung mit Knotenpunkt
• Höhere Frequenz (typischerweise 3-5× erster Modus)
• Weniger häufig aufgeregt, aber möglich

Torsionsmodus

• Klinge dreht sich um ihre Achse
• Die Frequenz hängt von der Blattgeometrie und der Montage ab
• Kann durch instationäre aerodynamische Kräfte angeregt werden

Faktoren, die die Eigenfrequenz der Schaufel beeinflussen

• Klingenlänge: Längere Blätter haben niedrigere Frequenzen
• Dicke: Dickere Blätter, steifer, höhere Frequenzen
• Material: Steifheit und Dichte beeinflussen die Frequenz
• Montage: Die Befestigungssteifigkeit beeinflusst die Randbedingungen
• Fliehkraftversteifung: Bei hohen Geschwindigkeiten erhöhen die Zentrifugalkräfte die scheinbare Steifigkeit

Anregungsquellen

Aerodynamische Anregung

Störungen stromaufwärts

• Stützstreben oder Leitschaufeln stromaufwärts erzeugen Nachlauf
• Anzahl der Störungen × Rotordrehzahl = Erregerfrequenz
• Wenn die Blattfrequenz übereinstimmt → Resonanz

Strömungsturbulenzen

• Ungleichmäßige Strömung erzeugt zufällige Anregung
• Kann Blattmodi anregen, wenn die Energie die richtige Frequenz hat
• Häufig im Off-Design-Betrieb

Akustische Resonanz

• Stehende Wellen in Rohrleitungen
• Akustische Druckpulsationen regen die Schaufeln an
• Kopplung zwischen akustischen und strukturellen Modi

Mechanische Anregung

• Rotor Unwucht Erzeugung einer 1× Vibration, die auf die Klingen übertragen wird
• Fehlausrichtung 2× Anregung erzeugen
• Lagerdefekte, die hochfrequente Schwingungen übertragen
• Fundament- oder Gehäusevibration gekoppelt an Rotorblätter

Elektromagnetische Erregung (Motorlüfter)

• 2× Netzfrequenz vom Motor
• Poldurchgangsfrequenz
• Wenn diese Frequenzen in der Nähe der Schaufeleigenfrequenz liegen → Resonanz möglich

Symptome und Erkennung

Schwingungseigenschaften

• Hochfrequenzkomponente: Bei der Eigenfrequenz der Schaufel (oft 200–2000 Hz)
• Geschwindigkeitsabhängig: Erscheint nur bei bestimmten Betriebsgeschwindigkeiten
• Möglicherweise nicht schwerwiegend: Bei Lagermessungen (lokalisierte Blattschwingung)
• Richtung: Kann in bestimmten Messrichtungen stärker sein

Akustische Anzeigen

• Hohes Heulen oder Pfeifen bei Resonanzfrequenz
• Tongeräusche, die sich vom Normalbetrieb unterscheiden
• Nur bei bestimmten Geschwindigkeiten oder Strömungsbedingungen vorhanden
• Die Lautstärke kann selbst bei mäßiger Vibration stark sein

Physische Beweise

• Sichtbare Klingenbewegung: Flattern oder Vibration einzelner Blätter
• Ermüdungsrisse: Risse an Blattwurzeln oder Spannungspunkten
• Bundieren: Verschleißspuren an der Klingenbefestigung weisen auf Bewegung hin
• Gebrochene Klingen: Endergebnis, wenn die Resonanz nicht korrigiert wird

Herausforderungen bei der Erkennung

Warum die Rotorblattresonanz schwer zu erkennen ist

• Die Blattbewegung ist nicht stark an das Lagergehäuse gekoppelt
• Standardmäßige Beschleunigungsmesser an Lagern können die Schwingungen der Rotorblätter übersehen
• Lokalisiert auf einzelne Blätter
• Erfordert möglicherweise spezielle Messtechniken

Erweiterte Erkennungsmethoden

• Klingenspitzen-Timing: Berührungslose Messung jedes Schaufeldurchgangs
• Dehnungsmessstreifen: Zur Messung der Belastung auf Rotorblättern montiert (erfordert Telemetrie)
• Laservibrometrie: Berührungslose optische Messung der Blattbewegung
• Akustische Überwachung: Mikrofone oder Beschleunigungsmesser am Gehäuse in der Nähe der Rotorblätter

Folgen der Klingenresonanz

Hochzyklische Ermüdung

• Wechselspannung an der Blattwurzel
• Millionen von Zyklen in Stunden oder Tagen
• Ermüdungsrisse entstehen und breiten sich aus
• Kann zu einem plötzlichen Klingenausfall ohne Vorwarnung führen

Klingenbefreiung

• Vollständige Trennung der Schaufel durch Ermüdungsbruch
• Starkes Ungleichgewicht durch Massenverlust
• Gefahr durch Projektile (Klingensplitter)
• Umfangreiche Folgeschäden an der Ausrüstung
• Sicherheitsrisiko für das Personal

Prävention und Schadensbegrenzung

Entwurfsphase

• Campbell-Diagrammanalyse: Vorhersage von Interferenzen zwischen Schaufelfrequenzen und Anregungen
• Ausreichende Trennung: Stellen Sie sicher, dass die Eigenfrequenzen der Schaufeln nicht mit den Anregungsquellen übereinstimmen.
• Klingentuning: Passen Sie die Blattsteifigkeit an, um die Eigenfrequenzen zu verschieben
• Dämpfung: Integrierte Dämpfungsfunktionen (Reibungsdämpfer, Beschichtungen)

Operative Lösungen

• Geschwindigkeitsänderung: Arbeiten Sie mit hoher Geschwindigkeit und vermeiden Sie Resonanzen
• Flusskontrolle: Passen Sie den Betriebspunkt an, um die Anregung zu reduzieren
• Vermeiden Sie verbotene Geschwindigkeiten: Legen Sie Geschwindigkeitsbereiche fest, die vermieden werden sollen, wenn Resonanz festgestellt wird

Modifikationslösungen

• Klingenversteifung: Fügen Sie Material, Rippen oder Verbindungen zwischen den Blättern hinzu
• Klingenanzahl ändern: Ändert sowohl die Schaufelfrequenz als auch das Anregungsmuster
• Dämpfungsbehandlungen: Wenden Sie die Dämpfung eingeschränkter Schichten auf die Schaufeln an
• Anregungsquelle entfernen: Modifizieren von Strömungsstörungen stromaufwärts

Branchenbeispiele

Saugzuggebläse (Kraftwerke)

• Große Ventilatoren (3,0–6,1 m Durchmesser) mit langen Flügeln
• Eigenfrequenzen der Schaufeln 50-200 Hz
• Kann an die Frequenzen des Blattdurchgangs oder des elektromagnetischen Motors angepasst werden
• Hat in der Vergangenheit katastrophale Rotorblattausfälle verursacht

Gasturbinen

• Hochgeschwindigkeits-Kompressor- und Turbinenschaufeln
• Blattfrequenzen 500-5000 Hz
• Anspruchsvolle Analyse während der Konstruktion erforderlich
• Überwachung der Blattspitzenzeit in kritischen Anwendungen

HVAC-Lüfter

• In der Regel weniger kritisch aufgrund geringerer Geschwindigkeiten und Belastungen
• Resonanz kann Lärm verursachen
• Normalerweise durch Geschwindigkeitsänderung oder Blattversteifung korrigiert

Schaufelresonanz ist ein spezielles Schwingungsphänomen, das Kenntnisse sowohl der Strukturdynamik als auch der Fluid-Struktur-Interaktion erfordert. Obwohl potenziell katastrophal, kann Schaufelresonanz durch eine entsprechende Konstruktionsanalyse verhindert, durch Betriebseinschränkungen vermieden oder durch strukturelle Modifikationen gemildert werden, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb von Schaufelmaschinen zu gewährleisten.

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