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Die entscheidende Rolle des Turbinenbalancing im industriellen Betrieb verstehen

Industrieturbinen sind das Rückgrat moderner Stromerzeugungs- und mechanischer Verarbeitungssysteme, die thermische oder kinetische Energie in nutzbare mechanische Arbeit umwandeln. Diese hochentwickelten Maschinen arbeiten unter extremen Bedingungen - hohe Temperaturen, enorme Drücke und Drehzahlen, die Tausende von Umdrehungen pro Minute überschreiten können. In dieser anspruchsvollen Umgebung wird das richtige Ausbalancieren von Turbinenrotoren nicht nur eine Wartungsüberlegung, sondern eine grundlegende Voraussetzung für einen sicheren, effizienten und zuverlässigen Betrieb.

Dampfturbinen gelten als wichtige Hilfsaggregate für den Betrieb in Industrie- und Produktionsanlagen, die hauptsächlich als Hauptantriebsmotoren für mechanische Geräte wie Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren und Generatoren verwendet werden. Ebenso werden Gasturbinen mit Kombikraftwerken betrieben und Antriebe für Flugzeuge und Schiffe bereitgestellt.

Wenn Vibrationsprobleme in Turbinensystemen auftreten, gehen die Folgen weit über einfache mechanische Geräusche hinaus. Hohe Vibrationen beeinflussen die Leistung der Maschine, erhöhen das Risiko von Fehlfunktionen und verkürzen ihre Lebensdauer und stellen auch Risiken für Betriebs- und Wartungspersonal dar. Die finanziellen Auswirkungen sind ebenso erheblich, da ungeplante Ausfallzeiten bei der Stromerzeugung oder der industriellen Verarbeitung Hunderttausende von Dollar pro Tag kosten können, ganz zu schweigen von den Kosten für Notreparaturen und Ersatzkomponenten.

Die Fehlerbehebung von Schwingungsproblemen in Industrieturbinen erfordert einen ausgewogenen Ansatz, der theoretisches Verständnis mit praktischen Diagnosefähigkeiten verbindet. Ingenieure und Techniker müssen die grundlegende Physik der Rotordynamik verstehen und gleichzeitig das praktische Fachwissen zur Interpretation von Schwingungssignaturen, zur Identifizierung von Ursachen und zur Umsetzung wirksamer Korrekturmaßnahmen entwickeln. Dieser Artikel untersucht beide Dimensionen dieser kritischen Disziplin und bietet umfassende Anleitung für Fachleute, die mit der Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit der Turbine beauftragt sind.

Die Physik der Turbinenvibration: Ursachen und Mechanismen der Wurzel

Rotor-Ungleichgewicht: Der Hauptschuldige

Die Rotorunwucht ist einer der Hauptgründe für die Vibrationen rotierender Maschinen und kann durch fehlerhafte Materialien, Fehler bei der Verarbeitung und Montage, eine asymmetrische Struktur, einen Rotorverschleiß, Temperaturänderungen während des Betriebs und zahlreiche andere Faktoren verursacht werden.

Die Rotorunwucht tritt auf, wenn die Massenverteilung um die Rotorachse ungleichmäßig ist, was zu Zentrifugalkräften während der Rotation führt, die Vibrationen verursachen. Während sich der Rotor dreht, erzeugen diese Zentrifugalkräfte oszillierende Belastungen auf Lagern und Stützstrukturen, die sich als Vibration manifestieren, die proportional zum Quadrat der Drehzahl zunimmt. Ein Rotor, der bei niedrigen Drehzahlen akzeptable Vibrationen aufweist, kann bei Betriebsdrehzahl destruktive Kräfte erzeugen, wenn ein erhebliches Ungleichgewicht besteht.

Unwucht kann in verschiedene Typen eingeteilt werden. Statisches Ungleichgewicht tritt auf, wenn der Schwerpunkt des Rotors von der Drehachse versetzt ist, die Hauptachse jedoch parallel zur Wellenmittellinie bleibt. Diese Art von Unwucht kann oft auch dann erkannt werden, wenn der Rotor stillsteht. Dynamisches Ungleichgewicht beinhaltet sowohl einen verschobenen Schwerpunkt als auch eine geneigte Hauptachse und erzeugt ein Paar, das unterschiedliche Schwingungseigenschaften an den beiden Enden des Rotors erzeugt. Quasi-statisches Ungleichgewicht stellt eine Kombination dieser Bedingungen dar.

Die Schwere der unwuchtbedingten Vibrationen hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Rotormasse, der Betriebsdrehzahl, der Lagersteifigkeit sowie der Größe und Lage der Massenexzentrizität.

Probleme mit Fehlausrichtungen und Kopplungen

Probleme wie Rotorungleichgewicht, Kupplungsfehlausrichtung, mechanische Lockerung, Materialausfall und gebogene Welle können durch verschiedene Betriebsbelastungen verursacht werden, Fehlausrichtungen treten auf, wenn die Mittellinien der verbundenen rotierenden Wellen nicht zusammenfallen, wodurch zusätzliche Kräfte und Momente entstehen, die die Lager aufnehmen müssen.

Zwei primäre Arten von Fehlausrichtungen betreffen Turbinensysteme. Parallel-Fehlausrichtung (auch Offset-Fehlausrichtung genannt) liegt vor, wenn die Wellenmittellinien parallel, aber nicht kollinear sind. Winkelausrichtung tritt auf, wenn sich die Wellenmittellinien in einem Winkel schneiden. In den meisten realen Situationen existiert eine Kombination beider Typen. Rotorspindelausrichtungs- oder Rotorradialsteifigkeitsunebenheiten induzierten auch die Vibration in Turbomaschinensystemen.

Während Unwucht in erster Linie 1X-Schwingungen erzeugt, erzeugt Fehlausrichtung typischerweise signifikante 2X-Komponenten (zweimal pro Umdrehung) und kann auch Oberwellen mit 3X, 4X und höheren Ordnungen erzeugen. Das Schwingungsmuster zeigt oft hohe axiale Schwingungen zusätzlich zu radialer Bewegung und Phasenbeziehungen zwischen Messpunkten liefern diagnostische Hinweise.

Die Fehlausrichtung zwischen Turbinenbauteilen verstärkt die Vibrationen und führt zu instabilen Wellenbewegungen. Ohne entsprechende Justagen erfährt die Turbine übermäßige Reibung, Wärmeaufbau und erhöhtes Ausfallrisiko. Die Verbindung der Turbinenabschnitte oder die Verbindung der Turbine mit angetriebenen Geräten stellt einen gemeinsamen Ort für Fehlausrichtungsprobleme dar, insbesondere nach Wartungsarbeiten oder thermischem Zyklus.

Lagerfehler und Degradation

Lager unterstützen die rotierende Baugruppe und zwängen ihre Bewegung auf den gewünschten Drehweg, so dass sie bei defekten oder degradierten Lagern diese Funktion nicht mehr effektiv erfüllen können, was zu erhöhten Schwingungen und potentiellen Katastrophenausfällen führt, wobei die Ursache für Schwingungen in der Regel ein mechanischer oder elektrischer Ausfall ist.

Wälzlager, die üblicherweise in kleineren Turbinen und Hilfsaggregaten eingesetzt werden, entwickeln bei Beschädigungen von Laufbahnen, Wälzkörpern oder Käfigen charakteristische Fehlerfrequenzen, die von der Lagergeometrie, der Anzahl der Wälzkörper und der Drehzahl abhängen. Defekte erzeugen typischerweise Schwingungen bei Frequenzen, die nicht laufdrehzahlsynchron sind und als deutliche Spitzen im Frequenzspektrum auftreten.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lagern, die mit einem Schmierölfilm versehen sind, der mit Ölwirbeln, Ölpeitschen, Lagerverschleiß und unzureichender Schmierung in Verbindung steht. Jede Bedingung erzeugt unterschiedliche Schwingungseigenschaften. Der Ölwirbel tritt typischerweise bei Frequenzen zwischen 0,42 X und 0,48 X Laufgeschwindigkeit auf, während sich die Ölpeitsche bei der ersten kritischen Drehzahlfrequenz des Rotors unabhängig von der Betriebsdrehzahl manifestiert.

Die Lagertemperatur spielt auch eine entscheidende Rolle für das Schwingungsverhalten. Überhöhte Temperaturen können die Ölviskosität verringern, die Tragfähigkeit des Schmiermittelfilms verringern und eine erhöhte Rotorbewegung ermöglichen. Umgekehrt kann kaltes Öl mit hoher Viskosität zu übermäßigem Widerstand und Leistungsverlust führen. Thermische Effekte können auch zu einer unterschiedlichen Ausdehnung zwischen Rotor und stationären Komponenten führen, was zu Reibungen und zusätzlichen Schwingungsquellen führen kann.

Rotorbiegung und thermische Verzerrung

Eine der Hauptursachen für Vibrationen in einer Dampfturbine ist das Rotorbiegen. Mit der Zeit können sich Turbinenrotoren verziehen oder verformen, insbesondere bei Betriebsschwankungen. Während kleineres Biegen erwartet wird, stört eine übermäßige Verformung das Gleichgewicht des Systems, was zu Instabilität, vermindertem Wirkungsgrad und potenziellem Ausfall führt.

Die Verbiegung des Rotors kann durch mehrere Mechanismen erfolgen. Thermische Verbiegung tritt auf, wenn Temperaturgradienten über den Rotordurchmesser auftreten, was zu einer unterschiedlichen Ausdehnung führt, die die Welle kurvenförmig macht. Dies geschieht üblicherweise während An- und Abfahrvorgängen, wenn die Heiz- oder Kühlgeschwindigkeiten am Rotorumfang variieren. Ungleichmäßige Kühlung und Erwärmung von Turbinenrotoren tragen auch zu Vibrationen und mechanischen Spannungen bei. Wenn ein Hochtemperaturrotor ungleichmäßig abkühlt, kann seine Masse zu einer Verbiegung oder Verbiegung führen.

Der Rotor kann aus verschiedenen Gründen wie etwa einer unsachgemäßen Lagerung (wodurch die Schwerkraft einen horizontalen Rotor im Laufe der Zeit durchhängen kann), Reibungen, die eine lokale Erwärmung und Expansion verursachen, oder Betriebsereignissen entstehen, die die Auslegungsgrenzen überschreiten. Exzentrizitäts-Langsames Walzen ist die Menge des Bogens, den der Rotor im Ruhezustand einnimmt. Wenn die Amplitude von Spitze zu Spitze auf einem akzeptablen niedrigen Niveau ist, kann die Maschine gestartet werden, ohne dass Angst vor Schäden an Dichtungen und / oder Rotorreibungen durch den Restbogen und seine entsprechende Unwucht besteht.

Die Schwingungssignatur eines gebogenen Rotors ähnelt der eines Ungleichgewichts, da beide eine 1X-Schwingung erzeugen. Der Rotorbügel erzeugt jedoch typischerweise unterschiedliche Phasenbeziehungen zwischen axialen Messstellen im Vergleich zu einem reinen Massenungleichgewicht. Der thermische Bogen kann sich im Betrieb ändern, wenn der Rotor ein thermisches Gleichgewicht erreicht, während das Massenungleichgewicht unter stationären Bedingungen konstant bleibt.

Mechanische Losigkeit und strukturelle Probleme

Mechanische Lockerung umfasst eine Reihe von Bedingungen, bei denen Bauteile, die starr verbunden werden sollten, Spiel haben oder ihre konstruktionsbedingte Einschränkung verloren haben. Dies kann lose Lagerkappen, degradierte Fundamentbolzen, rissige Sockel oder unzureichende Verpressungen unter den Geräteböden umfassen. Die Loslösung ermöglicht es Bauteilen, sich auf eine Weise zu bewegen, die nicht durch das Design vorgesehen ist, wodurch komplexe Vibrationsmuster entstehen.

Die Losigkeit des Typs A ist eine strukturelle Losigkeit der Tragstruktur, wie lose Fundamentbolzen oder verschlechterte Verpressung, die Losigkeit des Typs B tritt auf, wenn sich die normalen Passungen zwischen den Bauteilen, wie z. B. ein Lager, das sich in seinem Gehäuse gelöst hat, verschlechtert haben. Die Losigkeit des Typs C beschreibt das Spiel in der rotierenden Baugruppe selbst, wie z. B. ein loses Laufrad auf einer Welle.

Die Vibrationssignatur der mechanischen Lockerung umfasst typischerweise mehrere Harmonische der Laufgeschwindigkeit (2X, 3X, 4X usw.) und kann Richtungscharakteristiken aufweisen, bei denen die Vibration in einer Richtung höher ist als senkrecht dazu. In schweren Fällen kann die Lockerung bei 1/2X oder 1/3X Laufgeschwindigkeit subharmonische Vibrationen erzeugen. Die Schwingungsamplitude kann auch unvorhersehbar variieren, wenn sich die Position der losen Komponenten verschiebt.

Aerodynamische und strömungsinduzierte Vibration

Turbinen interagieren mit strömenden Flüssigkeiten - Dampf, Verbrennungsgase oder andere Arbeitsmedien - und diese Wechselwirkungen können durch mehrere Mechanismen Vibrationen erzeugen. Die aerodynamische Pulsschwingung, die von den Rotorblättern der ersten Stufe des Niederdruckkompressors gebildet wird, war groß und zeigt, wie Blattdurchgangsfrequenzen eine signifikante Anregung erzeugen können.

Die Frequenzschwingungen bei der Durchlauffrequenz von Schaufeln treten auf, wenn Schaufeln an stationären Schaufeln oder anderen Hindernissen vorbeifahren und Druckimpulse erzeugen. Die Frequenz entspricht der Anzahl der Schaufeln multipliziert mit der Drehzahl. Während ein gewisses Maß an Vibrationen bei der Durchlauffrequenz normal ist, können übermäßige Amplituden auf Probleme wie Schaufelschäden, Ablagerungen, die Strömungsstörungen verursachen, oder Resonanzbedingungen hinweisen.

Strömungsinstabilitäten, wie Schwall, Drehstillstand und Flattern, können starke Schwingungen in Verdichter- und Turbinenstufen erzeugen. Diese Phänomene beinhalten komplexe Wechselwirkungen zwischen der Strömungsdynamik und der strukturellen Dynamik der Beschaufelung.

Dampfwirbel, ein für Dampfturbinen spezifisches Phänomen, tritt auf, wenn Dampf, der durch Dichtungen austritt, destabilisierende Kräfte auf den Rotor erzeugt, was selbsterregte Schwingungen bei Frequenzen nahe der Eigenfrequenz des Rotors antreiben kann, was auch ohne äußeren Antrieb große Schwingungsamplituden verursachen kann.

Reiben und Kontakt zwischen rotierenden und stationären Teilen

Wenn ein gebogener Rotor mit stationären Oberflächen in Kontakt kommt, entsteht Reibung - eine Hauptursache für mechanische Beschädigungen und Effizienzverluste. Dieses Problem tritt häufig bei Labyrinthdichtungen, Membranen und Enddichtungssystemen auf. Reibungen stellen eines der schwerwiegendsten schwingungsbedingten Probleme in der Turbomaschinerie dar.

Leichte Reibungen können intermittierend auftreten, wodurch vorübergehende Vibrationsspitzen oder Veränderungen im Schwingungsspektrum entstehen. Schwere Reibungen erfordern einen anhaltenden Kontakt, der schnell eskalieren kann, Wärme erzeugen kann, die thermisches Wachstum und engere Abstände verursacht, was zu stärkeren Reibungen in einer destruktiven Rückkopplungsschleife führt. Reibung zwischen rotierenden und stationären Teilen führt zu lokalisierten Temperaturerhöhungen, was zu einer Metalldehnung und weiteren Verformung führt. Im Laufe der Zeit wird die Fehlausrichtung verschlechtert, Vibrationen werden verstärkt und das Risiko einer dauerhaften Rotorschädigung erhöht.

Die durch Reibung hervorgerufene Schwingung weist mehrere charakteristische Merkmale auf. Die rückwärts gerichtete Präzession (Rückwärtswirbel) kann dort auftreten, wo der Rotor entgegen seiner Drehrichtung umläuft. Subharmonische Schwingungskomponenten treten häufig in Bruchteilsordnungen (1/2X, 1/3X usw.) auf. Das Schwingungsmuster kann bei variierenden Kontaktbedingungen plötzliche Änderungen oder Instabilitäten zeigen. In schweren Fällen können Reibungen höhere Eigenfrequenzen der Rotor- oder Gehäusestrukturen anregen.

Diagnosetechniken zur Identifizierung von Reiben umfassen die Untersuchung des Vibrationsspektrums auf charakteristische Frequenzen, die Analyse von Orbit-Plots auf verzerrte oder unregelmäßige Muster, die Überwachung von Gehäusevibrationen auf Aufprallsignaturen und die Verfolgung von Änderungen der Vibrationsphase und -amplitude während transienter Bedingungen wie Start und Abschaltung.

Theoretische Grundlagen des Rotorbalancing

Grundprinzipien der Massenverteilung

Der Rotorausgleich der Turbine umfasst die genaue Einstellung der Massenverteilung des Rotors, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Das theoretische Ziel besteht darin, die Hauptträgheitsachse des Rotors mit seiner geometrischen Drehachse zusammenzufallen, wodurch die Fliehkräfte, die Vibrationen verursachen, eliminiert werden.

Wenn ein Rotor mit der Winkelgeschwindigkeit ω rotiert, erfährt jedes Masseelement m, das sich auf dem Radius r von der Drehachse befindet, eine radial nach außen gerichtete Zentrifugalkraft F = mω2r. Ist der Rotor perfekt ausbalanciert, sind diese Kräfte symmetrisch verteilt und ihre Vektorsumme ist gleich Null. Wenn jedoch ein Ungleichgewicht besteht, heben sich die Kräfte nicht auf, wodurch eine Nettodrehkraft entsteht, die bei der Frequenz der laufenden Drehzahl schwingt.

Die Größe dieser Unwuchtkraft hängt von der Größe der Exzentermasse, ihrem radialen Abstand von der Wellenmittellinie und dem Drehwinkel ab. Dieser Zusammenhang erklärt, warum die Schwingungen durch die Unwucht mit steigender Drehzahl dramatisch zunehmen. Ein Rotor mit akzeptablen Schwingungen bei 1000 U/min kann das Vierfache der Schwingungsamplitude bei 2000 U/min aufweisen, wenn die gleiche Unwucht unkorrigiert bleibt.

Die Unwucht eines Rotors ist dadurch bedingt, dass die Drehachse des Rotors nicht mit der geometrischen Achse übereinstimmt, was zu einer beim Drehen motivierten Drehträgheitskraft führt, die dadurch beseitigt werden kann, dass die Trägheitshauptachse durch Umverteilung der Masse durch Zugabe oder Abtragen von Material an bestimmten Stellen mit der Drehachse des Rotors zusammenfällt.

Statisches versus dynamisches Balancing

Es umfasst zwei Haupttypen: statisches Balancing und dynamisches Balancing. Statisches Balancing wird bei niedrigen Geschwindigkeiten durchgeführt und ist weniger umfassend als dynamisches Balancing. Das Verständnis der Unterscheidung zwischen diesen Ansätzen ist für die Auswahl geeigneter Balancing-Strategien unerlässlich.

Statischer Ausgleich richtet sich an den Zustand, in dem der Schwerpunkt des Rotors von der Drehachse verschoben ist, die Hauptachse jedoch parallel zur Welle bleibt. Diese Art von Unwucht kann durch das Aufsetzen des Rotors auf Messerkanten oder Lager mit geringer Reibung erkannt werden - der schwere Punkt wird aufgrund der Schwerkraft nach unten gedreht. Statischer Ausgleich erfordert eine Korrektur in nur einer Ebene und ist für scheibenförmige Rotoren geeignet, bei denen die axiale Dimension im Vergleich zum Durchmesser klein ist.

Dynamisches Balancieren adressiert sowohl den verschobenen Schwerpunkt als auch die Winkelverlagerung der Hauptachse. Dies erzeugt ein Paar, das an den beiden Enden des Rotors unterschiedliche Kräfte erzeugt. Dynamisches Balancieren ist für Hochgeschwindigkeitsmaschinen von entscheidender Bedeutung, wo sich Unwuchtkräfte entlang der Rotorlänge ändern. Es berücksichtigt die Massenverteilung und Flexibilität des Rotors, um einen reibungslosen Betrieb bei verschiedenen Geschwindigkeiten zu gewährleisten.

Der dynamische Ausgleich erfordert Korrekturen in mindestens zwei Ebenen, die entlang der Rotorlänge getrennt sind. Die dynamische Korrektur wird mit einer gleichen und entgegengesetzten (1800 phasenverschobenen) Ausgleichskorrektur in zwei getrennten Ebenen angewendet. Der Abstand zwischen den Korrekturebenen beeinflusst die Größe der erforderlichen Gewichte - ein größerer Abstand ermöglicht es kleineren Korrekturmassen, den gleichen Effekt zu erzielen.

Verhalten starrer gegen flexibler Rotor

Rotoren werden aufgrund ihres dynamischen Verhaltens in Bezug auf die Betriebsdrehzahl als starr oder flexibel eingestuft. Starre Rotoren zeigen bei Betriebsdrehzahlen keine signifikante Biegung, während flexible Rotoren oft oberhalb ihrer kritischen Drehzahlen arbeiten. Diese Klassifizierung wirkt sich grundsätzlich auf die Auswuchtstrategie und die Anforderungen aus.

Diese Auswuchtmethode ist im allgemeinen für starre Rotoren akzeptabel, oder für Rotoren, die keine kritischen Drehzahlen oder eine signifikante Flexibilität im Betrieb aufweisen. Ein starrer Rotor behält seine Form während der Rotation bei und die Unwuchtverteilung bleibt unabhängig von der Drehzahl konstant. Zweiebenen-Auswuchtung bei niedriger Drehzahl bleibt bei Betriebsdrehzahl bei starren Rotoren wirksam.

Flexible Rotoren verformen sich dagegen unter dem Einfluss von Zentrifugalkräften, thermischen Gradienten und dynamischen Belastungen. Das Verformungsmuster ändert sich mit der Geschwindigkeit, insbesondere beim Durchlaufen kritischer Drehzahlen, bei denen die Resonanz die Auslenkung verstärkt. Die Auswirkungen der Werkstattwaagentechnik sind am wichtigsten, wenn der Rotor relativ flexibel und/oder lang ist, wie es bei den meisten Turbomaschinen üblich ist.

Kritische Drehzahlen stellen Drehgeschwindigkeiten dar, bei denen die Eigenfrequenz des Rotors mit der Erregerfrequenz aus der Unwucht übereinstimmt. Bei diesen Drehzahlen kann bereits eine kleine Unwucht große Schwingungsamplituden erzeugen. Die meisten Turbinen arbeiten oberhalb ihrer ersten kritischen Drehzahl, was eine sorgfältige Berücksichtigung der flexiblen Rotordynamik beim Auswuchten erfordert.

Die Entscheidung für den Hochgeschwindigkeitsausgleich sollte auf dem detaillierten rotordynamischen Verhalten basieren, nicht nur auf dem kritischen Geschwindigkeitsübergang. API 684 und ISO 21940-12 betonen die Bedeutung einer umfassenden rotordynamischen Analyse für flexible Rotoren.

Modale Balancing-Konzepte

Modal Balancing ist eine Technik, die speziell für flexible Rotoren entwickelt wurde, bei der Korrekturmassen in mehreren Ebenen angewendet werden, um Vibrationen über verschiedene Modalfrequenzen hinweg zu minimieren und Stabilität über den Betriebsdrehzahlbereich zu bieten.

Der erste Modus (Grundmodus) besteht typischerweise darin, dass der Rotor in einem einfachen Bogen verbogen wird. Höhere Moden zeigen komplexere Ablenkmuster mit mehreren Knoten (Punkte der Nullauslenkung) und Antiknoten (Punkte der maximalen Auslenkung), wobei jedem Modus eine Eigenfrequenz zugeordnet ist, und ein Ungleichgewicht diese Moden bei Betriebsdrehzahl oder bei Übereinstimmung seiner Oberwellen mit Modalfrequenzen anregen kann.

Die herkömmlichen Methoden, einschließlich der Einflusskoeffizientenmethode (ICM) und der Modalbalancingmethode (MBM) werden als grundlegende Ansätze eingeführt. Die MBM erfordert das Verständnis der Modenformen des Rotors und die Anwendung von Korrekturen, die speziell auf die Modalunwucht abzielen, anstatt nur Vibrationen an Messorten zu minimieren.

Bei komplexen, flexiblen Rotoren kann der Modalausgleich Korrekturen in drei oder mehr Ebenen erfordern. Die Korrekturmassen und Winkelpositionen werden so berechnet, dass die Anregung bestimmter Moden minimiert wird, während übermäßige Korrekturgewichte vermieden werden, die neue Probleme mit sich bringen könnten. Dieser Ansatz ist besonders für Rotoren nützlich, die mit mehreren kritischen Drehzahlen arbeiten müssen oder in einem breiten Drehzahlbereich geringe Schwingungen aufrechterhalten müssen.

Abwägungsstandards und Toleranzkriterien

Internationale Normen geben Leitlinien für akzeptable Restunwuchten auf der Grundlage der Rotoreigenschaften und Anwendungsanforderungen. ISO 20816-3 mit dem Titel "Mechanische Vibration - Messung und Bewertung von Maschinenschwingungen - Industrielle Maschinen mit einer Leistung von über 15 kW und Betriebsdrehzahlen zwischen 120 U/min und 30.000 U/min" ist die Norm für die Festlegung akzeptabler Vibrationsgrenzen.

Die ISO-Norm von 1940 (die jetzt durch die Reihe ISO 21940 ersetzt wird) hat Qualitätsstufen für die Waage von G0,4 (höchste Präzision) bis G4000 (niedrigste Präzision) festgelegt, wobei die Gütegradzahl das Produkt aus spezifischer Unwucht (in g · mm/kg) und maximaler Betriebsdrehzahl (in rad/s) darstellt.

API 617 hat eine Mindestgrenze für die Exzentrizität, die für Rotordrehzahlen von mehr als 25.000 U/min aufgerufen wird, wobei die Bilanztoleranz auf 250 μm oder 10 μinch begrenzt ist. Diese Grenze wird im Allgemeinen durch die Fähigkeiten von Werkstattwaagen festgelegt. API-Standards für Turbomaschinen legen sowohl Werkstattwaagenanforderungen als auch Feldakzeptanzkriterien fest.

Die allgemein verwendete "4W/N-Regel" liefert eine einfache Berechnung für zulässige Restunwucht: U = 4W/N, wobei U Unwucht in Gramm-Millimetern ist, W das Rotorgewicht in Kilogramm und N die maximale Betriebsdrehzahl in Drehzahlen ist. Diese empirische Formel liefert vernünftige Ergebnisse für viele Anwendungen, kann jedoch für Präzisionsmaschinen zu konservativ oder für kritische Anwendungen nicht ausreichend streng sein.

Die Akzeptanzkriterien müssen auch den Messort und die Messmethode berücksichtigen. Die an Lagergehäusen gemessenen Vibrationen unterscheiden sich von den mit Näherungssonden gemessenen Wellenschwingungen. Geschwindigkeitsmessungen in mm/s oder in/s bieten andere Perspektiven als Wegmessungen in Mikrometern oder Mils. Die Normen legen geeignete Messparameter und Grenzwerte für verschiedene Maschinentypen und -größen fest.

Praktische Vibrationsanalysetechniken

Mess- und Messsysteme

Eine effektive Schwingungsanalyse beginnt mit einer geeigneten Instrumentierung. Werkzeuge wie Überwachungssysteme und Näherungssensoren sind für die Überwachung dieser Schwingungen unerlässlich. Die Auswahl der Sensoren und Messorte hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität und Nützlichkeit der Schwingungsdaten.

Näherungssonden (auch Wirbelstromsonden oder berührungslose Wegsensoren genannt) messen den Abstand zwischen der Sondenspitze und der Wellenoberfläche. Diese Sensoren bieten direkte Messungen der Wellenbewegung und sind die bevorzugte Wahl für permanente Überwachungssysteme auf kritischen Turbomaschinen. Näherungssonden messen typischerweise radiale Vibrationen, können aber auch für die axiale Positionsüberwachung konfiguriert werden. Sie erfordern eine sorgfältige Installation mit der richtigen Spaltspannung und sind empfindlich auf Wellenoberflächenbedingungen und elektrischen Ausfall.

Die selbsterzeugenden Sensoren benötigen keine externe Leistung und bieten eine gute Empfindlichkeit über einen breiten Frequenzbereich (normalerweise 10 Hz bis 1000 Hz). Geschwindigkeitsmessungen korrelieren gut mit dem Energiegehalt der Vibration und werden häufig für die Maschinenüberwachung und -diagnose verwendet.

Beschleunigungsmesser messen die Schwingungsbeschleunigung und bieten den breitesten Frequenzgang, wodurch sie sich für die Erkennung von hochfrequenten Phänomenen wie Lagerfehlern, Zahneingriffproblemen und Blattdurchgangsfrequenzen eignen. Die Techniken zur Überwachung und Analyse der Vibration in CCPPs werden erklärt, einschließlich der Näherungssonden, Laser-Doppler-Vibrometer, Wirbelstromsensor und Beschleunigungsmesser. Moderne MEMS-Beschleunigungsmesser bieten hervorragende Leistung in kompakten, robusten Verpackungen, die für raue industrielle Umgebungen geeignet sind.

Keyphasor-Sonden liefern einmal pro Umdrehung Zeitsignale, die für Phasenmessungen und gefilterte Vibrationsanalyse wesentlich sind. Das Keyphasor-Signal ermöglicht es, Vibrationsdaten auf die Rotorposition zu beziehen, wodurch Orbit-Plots, Bode-Diagramme und Polarplots ermöglicht werden, die Informationen enthüllen, die aus reinen Amplitudenmessungen nicht verfügbar sind.

Datenerfassungssysteme müssen für die Anwendung eine angemessene Abtastrate, einen dynamischen Bereich und eine Kanalanzahl bieten. Das neueste, praxiserprobte automatische Diagnosesystem für Drehapparate (ADRE 408) wird von Bentley Nevada installiert, um die Ursache für hohe Vibrationen zu untersuchen. Moderne Systeme bieten mehrkanalige gleichzeitige Abtastung, hochauflösende Analog-Digital-Wandlung und ausgeklügelte Auslöse- und Speicherfunktionen.

Zeit-Domain-Analysemethoden

Die Zeitbereichsanalyse untersucht Vibrationssignale, die sich im Laufe der Zeit ändern, und liefert Einblicke in transiente Ereignisse, Aufprallphänomene und Gesamtschwingungspegel. Der einfachste Zeitbereichsparameter ist die Gesamtschwingungsamplitude, die typischerweise als Peak-, Peak-to-Peak- oder RMS-Werte (root mean square) ausgedrückt wird.

Trendkurven geben allgemeine Informationen über Schwingungspegel und werden typischerweise für Überwachungszwecke verwendet. Bei einer Nenndrehzahl von etwa 4350 U/min stieg die direkte Schwingungsamplitude am IB-Lager weiter an. Die Trendentwicklung der Gesamtschwingungen im Laufe der Zeit zeigt allmähliche Verschlechterung, plötzliche Veränderungen, die auf auftretende Probleme hinweisen, und die Wirksamkeit von Korrekturmaßnahmen.

Zeitverläufe zeigen die momentane Schwingungsamplitude im Vergleich zur Zeit an und geben die Form und die Eigenschaften des Schwingungssignals an. Ein reines Sinussignal zeigt eine einfrequente Komponente an, während komplexe Wellenverläufe mehrere Frequenzkomponenten oder Modulationen vorschlagen.

Die Kurven zeigen die Wellenmittellinienbewegung durch gleichzeitige Aufzeichnung horizontaler und vertikaler Verschiebungsmessungen. Die Bahnform, -größe und -orientierung liefern diagnostische Informationen. Eine kreisförmige Umlaufbahn lässt ein einfaches Ungleichgewicht erkennen, während elliptische Umlaufbahnen auf Fehlausrichtungen oder mehrere Vibrationsquellen hinweisen können. Abbildungs- oder bananenförmige Umlaufbahnen können sich aus Reibungen, Rissen oder Lockerheit ergeben. Die Bahnpräzessionsrichtung (vorwärts oder rückwärts bezüglich der Rotation) bietet zusätzliche diagnostische Hinweise.

Zeitbasisdiagramme zeigen Schwingungsamplitude und -phase im Vergleich zur Zeit während transienter Ereignisse wie Anfahren oder Abschalten. Diese Diagramme zeigen, wie sich Schwingungsänderungen ändern, wenn die Maschine ihren Betriebsbereich beschleunigt oder verlangsamt, und zeigen deutlich kritische Geschwindigkeiten und Resonanzen. Der Vergleich von Anfahren und Abschalten kann thermische Effekte und Reibungen identifizieren, die sich entwickeln, wenn die Maschine Betriebstemperatur erreicht.

Frequenz-Domänen-Analyse und Spektraldiagnostik

Frequenzdomänenanalyse transformiert Zeitdomänen-Schwingungssignale in den Frequenzbereich unter Verwendung von Fast Fourier Transform (FFT) Algorithmen, wodurch ein Spektrum erzeugt wird, das Schwingungsamplituden gegen Frequenz anzeigt. Vibrationsanalysemethoden wie FFTA, Zeitdomänen-Reflektometrie, Finite-Elemente-Analyse und empirische Moden-Dekomposition bieten komplementäre Perspektiven auf den Maschinenzustand.

Das Schwingungsspektrum zeigt einzelne Frequenzkomponenten, die in der Zeitkurve verdeckt sein können. Jeder mechanische Fehler erzeugt charakteristische Frequenzen, die als Spitzen im Spektrum erscheinen. Da die 1X-Amplituden enthalten sind, kann man sehen, dass der Schwingungsausschlag überwiegend aus der 1X-Komponente bestand. Leider sind die meisten Vibrationsprobleme auf die 1X-Schwingung zurückzuführen und viele Störungen könnten hohe 1X-Schwingungsausschläge ergeben.

Diagnosefrequenzmarker umfassen:

  • 1X Laufgeschwindigkeit: Imbalance, gebogene Welle, exzentrischer Rotor, fehlausgerichtete Kupplung
  • 2X Laufgeschwindigkeit: Fehlausrichtung, mechanische Lockerung, Resonanz, exzentrische Rotor
  • 3X und höhere Harmonische: Schwere Fehlausrichtung, mechanische Lockerung, exzentrische Zapfen
  • Subsynchron (unterhalb 1X): Ölwirbel, Reiben, Lockerheit, Lagerinstabilität
  • Blade passing frequency: Anzahl der Schaufeln × RPM, zeigt aerodynamische Anregung an
  • Bearing Defektfrequenzen: Spezifisch für die Lagergeometrie, zeigt Rasse oder Element Schaden
  • Naturfrequenzen: Resonanzbedingungen, strukturelle Probleme

Die Spektralanalyse zeigt auch Modulationsphänomene, bei denen eine Frequenz eine andere moduliert, die als Seitenbänder um die Trägerfrequenz erscheint. Die Amplitudenmodulation erzeugt Seitenbänder, die auf der Modulationsfrequenz beabstandet sind, während die Frequenzmodulation komplexere Seitenbandmuster erzeugt, die auf Lockerheit, Lagerprobleme oder Kopplungsprobleme hinweisen können.

Kaskadendiagramme (auch Wasserfalldiagramme genannt) zeigen mehrere Spektren, die zu verschiedenen Zeiten oder Geschwindigkeiten in einem dreidimensionalen Format gesammelt wurden. Diese Visualisierung zeigt deutlich, wie sich Frequenzkomponenten während des Anfahrens, Abschaltens oder über längere Betriebsperioden ändern. Kritische Geschwindigkeiten erscheinen als Grate, die bei bestimmten Geschwindigkeiten ihren Höhepunkt erreichen, während Ordnungsverfolgungslinien konstanten Vielfachen der Laufgeschwindigkeit folgen.

Phasenanalyse und Vektorinterpretation

Phasenmessungen geben Aufschluss über den zeitlichen Zusammenhang zwischen Vibration und Rotorposition und bieten diagnostische Erkenntnisse, die nicht allein aus der Amplitude verfügbar sind. Die Phase wird in Bezug auf das Schlüsselphasorsignal gemessen und in Grad ausgedrückt, wobei 0° das Schlüsselphasorereignis und 360° eine vollständige Umdrehung darstellen.

Polare Kurven zeigen Schwingungsvektoren (Amplitude und Phase) für mehrere Betriebsbedingungen oder Geschwindigkeiten an. Ist die Geschwindigkeit im stationären Zustand konstant, neigen 1X-Vektoren dazu, auch für eine Maschine ohne Probleme nahezu konstant zu bleiben. Innerhalb von 20 Minuten rollten 1X-Vektoren sowohl von Näherungssonden als auch von Geschwindigkeitswandlern in Richtung gegen die Wellenrotation, was auf einen sich entwickelnden Reibzustand hinweist.

Phasenbeziehungen zwischen Messpunkten liefern Diagnoseinformationen. Bei Unwuchten unterscheidet sich die Phase an zwei axialen Stellen desselben Rotors typischerweise um weniger als 30°. Bei Fehlausrichtungen sind Phasenunterschiede von 180° ± 30° üblich. Gebogene Wellenbedingungen zeigen Phasenunterschiede, die von der Lage der Biegung relativ zu Messpunkten abhängen.

Bode-Plots zeigen Schwingungsamplitude und -phase im Vergleich zur Drehzahl beim Anfahren oder Abschalten, wobei diese Diagramme eindeutig kritische Drehzahlen (bei denen Amplitudenspitzen und Phasenverschiebungen etwa 90°) sowie Resonanzen und die Wirksamkeit von Ausgleichskorrekturen zeigen. Bode-Plots von Näherungssonden können nicht nur hohe Vibrationen aufgrund von Wellenbogen durch Reiben, sondern auch Wellenbogen direkt bei niedriger Geschwindigkeit zeigen.

Phasenänderungen während des stationären Betriebs können auf auftretende Probleme hinweisen. Graduelle Phasendrift kann auf thermische Effekte oder sich ändernde Stützbedingungen hindeuten. Plötzliche Phasenverschiebungen begleiten häufig Reibungen, Risse oder Lockerheit. Der Vergleich von Phasenmessungen vor und nach der Wartung hilft zu überprüfen, ob Korrekturmaßnahmen die gewünschten Ergebnisse erzielen.

Fortgeschrittene Diagnosetechniken

Neben der konventionellen Schwingungsanalyse bieten mehrere fortschrittliche Techniken zusätzliche Diagnosemöglichkeiten für komplexe Probleme. Cepstrum-Analysen (das Spektrum eines Spektrums) zeichnen sich durch die Erkennung von Oberwellen- oder Seitenbändern aus und sind daher für die Diagnose von Getriebeproblemen und komplexen Modulationsphänomenen wertvoll.

Die Umschlaganalyse (auch Demodulation oder Hochfrequenzdetektion genannt) verbessert die Detektion von Lagerfehlern und anderen Einschlagphänomenen. Diese Technik filtert das Schwingungssignal in ein Hochfrequenzband, gleicht und filtert das Ergebnis und führt dann eine Spektralanalyse durch. Lagerfehlerfrequenzen, die im Rohspektrum verdeckt sein können, werden im Hüllspektrum deutlich sichtbar.

Die Auftragsverfolgung hält eine konstante Auflösung in Aufträgen (Mehrfachlaufgeschwindigkeit) statt einer konstanten Frequenzauflösung aufrecht. Diese Vorgehensweise ist insbesondere für die Analyse von Maschinen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit von Vorteil, da sie synchrone und harmonische Komponenten unabhängig von Geschwindigkeitsänderungen in einer Ausrichtung hält.

Zeit-Frequenz-Analysetechniken wie die Short-Time Fourier Transform (STFT) und die Wavelet-Analyse zeigen, wie sich der Frequenzgehalt von Vibrationen im Laufe der Zeit ändert. Diese Methoden zeichnen sich durch die Analyse von transienten Ereignissen und nichtstationären Signalen aus, bei denen die herkömmliche FFT-Analyse wichtige Merkmale verpassen kann.

Die ODS-Analyse (Operational Disformation Shape) verwendet mehrere Messpunkte, um zu visualisieren, wie sich Strukturen während des Betriebs verformen. Diese Technik hilft, Resonanzen, schwache Strukturelemente und die Wege zu identifizieren, auf denen Vibrationen durch die Maschine übertragen werden. Die ODS-Analyse ist besonders wertvoll für die Diagnose von Fundamentproblemen und strukturellen Resonanzen.

Verfahren und bewährte Verfahren für die Feldabwägung

Methode für den Einebenenausgleich

Einplanenausgleich eignet sich für starre Rotoren mit einer einzigen Unwuchtebene, wie z. B. Rotoren mit schmalen Scheiben, Ventilatoren und Schwungrädern. Diese Technik umfasst den Vorgang, Gewicht in eine Ebene zu legen, um ein angemessenes Gleichgewicht zu erreichen. Der Ausgleichsvorgang, der durchgeführt wird, ohne den Rotor bis zur angegebenen Betriebsdrehzahl zu drehen, wird als Einplanenausgleich bezeichnet.

Das Single-Plane-Balance-Verfahren folgt einem systematischen Ansatz:

  1. Erste Messung: Betreiben Sie die Maschine mit der Ausgleichsdrehzahl und messen Sie die Schwingungsamplitude und -phase an der Lagerstelle, die der Korrekturebene am nächsten liegt.
  2. Trialgewichtslauf: Stoppen Sie die Maschine und befestigen Sie ein Probegewicht bekannter Masse an einer beliebigen Winkelposition am Rotor. Das Probegewicht sollte groß genug sein, um eine messbare Schwingungsänderung zu erzeugen (normalerweise 10-50% des geschätzten Korrekturgewichts). Starten Sie die Maschine neu, kehren Sie zur Ausgleichsgeschwindigkeit zurück und messen Sie die neue Schwingungsamplitude und -phase.
  3. Vektoranalyse: Berechnen Sie den Einfluss des Prüfgewichts durch Vektorsubtraktion der ursprünglichen Vibration von der Probelaufvibration. Dieser Einflussvektor stellt die Änderung der Vibration pro Einheit des Prüfgewichts dar.
  4. Korrekturgewichtsberechnung: Bestimmen Sie die Größe und Winkelposition des Korrekturgewichts, das benötigt wird, um die ursprüngliche Schwingung zu annullieren. Das Korrekturgewicht entspricht der ursprünglichen Schwingung geteilt durch den Einflusskoeffizienten (Änderung der Schwingung pro Prüfgewichtseinheit). Die Winkelposition beträgt typischerweise 180° von der durch die Phasenmessung angezeigten schweren Stelle.
  5. Verifizierungslauf: Installieren Sie das berechnete Korrekturgewicht, führen Sie die Maschine aus und überprüfen Sie, ob die Vibration auf ein akzeptables Niveau gesunken ist.

Ein-Ebenen-Auswuchten funktioniert gut, wenn sich der Rotor starr verhält und die Unwucht an einer axialen Stelle konzentriert ist, bei längeren Rotoren oder solchen mit verteilter Unwucht wird ein Zwei-Ebenen-Auswuchten erforderlich.

Zwei-Ebenen-Auswuchttechnik

Bei flexiblen Rotoren, die bei höheren Drehzahlen von der Drehachse nach außen ausweichen, ist ein Multiplanen-Auswuchten erforderlich. Der Zweiplanen-Auswuchten stellt den gebräuchlichsten Multiplanen-Ansatz dar, bei dem sowohl statische als auch Kopplungsunwuchten gleichzeitig behandelt werden.

Das Zwei-Ebenen-Balance-Verfahren erweitert die Ein-Ebenen-Methodik:

  1. Erste Messung: Messen Sie Schwingungsamplitude und -phase an beiden Lagerstellen (oder an mehreren Stellen, falls verfügbar).
  2. Erster Versuchsgewichtslauf: Installieren Sie ein Versuchsgewicht in der ersten Korrekturebene (normalerweise in der Nähe eines Lagers). Führen Sie die Maschine und messen Sie Vibrationen an allen Messpunkten. Die Änderung der Vibration an jedem Ort zeigt den Einfluss des Gewichts in dieser Ebene.
  3. Zweiter Versuchsgewichtslauf: Entfernen Sie das erste Versuchsgewicht und installieren Sie ein Versuchsgewicht in der zweiten Korrekturebene.
  4. Berechnung des Einflusskoeffizienten: Berechnen Sie die Einflusskoeffizienten, die das Gewicht in jeder Ebene mit der Vibration an jedem Messpunkt in Beziehung setzen.
  5. Korrekturgewichtsberechnung: ] Lösen Sie das Gleichungssystem, um die Größe und Winkelposition der Korrekturgewichte in beiden Ebenen zu bestimmen, die die Vibration an allen Messpunkten minimieren.
  6. Verifizierung und Iteration: Installieren Sie die berechneten Korrekturgewichte, führen Sie die Maschine aus und überprüfen Sie die Ergebnisse.

Wenn wir uns die Ausbalancierung der beiden Ebenen ansehen, ist dies vergleichbar mit dem Prozess eines einzelnen Ausbalancierungsprozesses. Der Zweiebenen-Ausbalancierungsprozess konzentriert sich mehr auf die Interferenz der Korrekturebene und die Kreuzeffekteigenschaften. Die Kreuzeffekte bedeuten, dass das in einer Ebene hinzugefügte Gewicht die Vibration an beiden Lagerstellen beeinflusst, was eine gleichzeitige Lösung der Gleichgewichtsgleichungen erfordert.

Influence Coefficient Methode

Die Einflusskoeffizientenmethode (ICM) bietet einen systematischen, empirischen Ansatz für das Auswuchten, der nur minimale theoretische Kenntnisse der Rotordynamik erfordert. Da jedes Element experimentell gemessen wird, können diese Koeffizienten die Einflüsse des Vibrationsmodus, der Stützsteifigkeit und anderer Faktoren widerspiegeln. Es ist nicht erforderlich, die dynamische Reaktion im Voraus zu kennen. Es können genügend sensible Informationen bei allen kritischen Drehzahlen erreicht werden, wenn der Rotor sicher im normalen Drehzahlbereich arbeitet.

Das ICM stellt die Beziehung zwischen Korrekturgewichten und resultierender Vibration als Matrixgleichung dar: [V] = [A][W], wobei [V] der Vektor von Vibrationsmessungen ist, [A] die Matrix von Einflusskoeffizienten ist und [W] der Vektor von Korrekturgewichten ist.

Vorteile des Einflusskoeffizientenverfahrens sind:

  • Empirischer Ansatz erfordert kein detailliertes Rotormodell
  • Berücksichtigt die tatsächlichen Systemeigenschaften einschließlich Lagersteifigkeit, Fundamenteffekte und Strukturdynamik
  • Kann bei jeder Geschwindigkeit angewendet werden, bei der die Maschine sicher arbeitet
  • Schnell computerisiert und automatisiert
  • Mehrere Messpunkte und Korrekturebenen

Einschränkungen sind die Notwendigkeit von Probeläufen, die für Maschinen mit hohen Vibrationen zeitaufwendig oder riskant sein können, die Empfindlichkeit gegenüber Messfehlern und die Annahme, dass sich das System linear verhält (die Schwingungsreaktion ist proportional zur Unwuchtgröße).

Balancing bei mehreren Geschwindigkeiten

Bei flexiblen Rotoren, die über kritischen Drehzahlen arbeiten, kann es vorkommen, dass bei einer einzigen Drehzahl keine akzeptablen Schwingungen über den gesamten Betriebsbereich erreicht werden. Die Rotordrehzahl wird eingestellt und die Unwucht bei jeder Drehzahl aufgezeichnet. Es wird eine bestimmte Rotordrehzahl gewählt und aufgezeichnet, die während des gesamten Versuchs konstant bleibt. Es ist zu beachten, dass diese Drehzahl für die Endergebnisse zur Korrektur der Ausgleichsgewichte gilt.

Bei dem Mehrstufen-Auswuchten werden Ausgleichskorrekturen bei zwei oder mehr Drehzahlen, typischerweise einschließlich Drehzahlen nahe kritischen Drehzahlen und bei maximaler Dauerbetriebsdrehzahl, durchgeführt.

Das Verfahren erfordert die Messung von Einflusskoeffizienten bei jeder Ausgleichsdrehzahl, wodurch ein größeres Gleichungssystem geschaffen wird, das Korrekturgewichte mit Vibrationen bei mehreren Geschwindigkeiten in Beziehung setzt.

Der Mehrgangausgleich ist insbesondere für Maschinen von Vorteil, die mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten, kritische Drehzahlen beim An- und Abfahren durchlaufen müssen oder über den gesamten Betriebsbereich hinweg signifikante Änderungen der Schwingungseigenschaften aufweisen, wobei der zusätzliche Aufwand und die Zeit, die erforderlich sind, wenn sich einstufiges Ausgleichsen als unzureichend erweist, gerechtfertigt sind.

Shop Balancing versus Field Balancing

Die beim Ladenausgleich angewandten Methoden können einen tiefgreifenden Einfluss auf den sich ergebenden Gleichgewichtszustand des Rotors haben. Die Auswirkungen der Ladenausgleichstechnik sind am wichtigsten, wenn der Rotor relativ flexibel und/oder lang ist, wie es bei den meisten Turbomaschinen üblich ist.

Shop Balancing wird auf spezialisierten Balancingmaschinen durchgeführt, bevor der Rotor in seiner Betriebsumgebung installiert wird. Dies ist auch die praktische Grenze der meisten Low-Speed-Shop Balancingmaschinen, da sie die statische Korrektur für den Rotor und für dynamische Paare in zwei Ebenen korrigieren können.

Shop Balancing bietet mehrere Vorteile, darunter kontrollierte Umgebung, Präzisionsmessmöglichkeiten, die Fähigkeit, bei niedriger Geschwindigkeit ohne Risiko zu balancieren, und die Möglichkeit, Komponenten vor der Montage auszugleichen.

Feldausgleich wird mit dem Rotor durchgeführt, der in seiner Betriebsumgebung installiert ist, wobei die tatsächlichen Lager, Stützen und Betriebsbedingungen verwendet werden.

Feldausgleichsrechnungen für alle Systemeffekte und kann mit Betriebsgeschwindigkeit durchgeführt werden, erfordert aber spezielle tragbare Geräte, kann Sicherheitsrisiken beinhalten und bietet typischerweise weniger Präzision als Werkstattausgleich.

Inkrementalabgleich für komplexe Rotoren

Um den Gleichgewichtszustand der meisten hochdrehenden flexiblen Rotoren zu verbessern, wird im Allgemeinen wie folgt vorgegangen: 1. Balancieren Sie die nackte Welle ohne zusätzliche Komponenten a. Stellen Sie sicher, dass alle Schlüsselkanäle mit Halbschlüsseln gemäß ISO 8821 ausgestattet sind, es sei denn, zwei Schlüssel befinden sich an derselben axialen Position und sind 1800 voneinander entfernt 2. Balancieren Sie die angebrachten Komponenten separat nach ISO 1940 Grad G1 oder besser.

Wenn der Rotor nach dem vollständigen Zusammenbau (im Gegensatz zum inkrementellen Gleichgewicht) vollständig montiert und ausgeglichen ist, kann ein Ungleichgewicht der Komponenten oder insbesondere die Montageexzentrizität der Komponenten zu sehr großen Modalunwuchten führen, obwohl eine Ausgleichsmaschine mit niedriger Drehzahl anzeigen kann, dass der Rotor erfolgreich ausgeglichen ist.

Das inkrementelle Bilanzierungsverfahren wird fortgesetzt mit:

  1. Montage von Bauteilen auf der Welle nacheinander, Auswuchten nach jeder Zugabe
  2. Führen Sie die endgültige Prüfbalance am vollständig montierten Rotor durch
  3. Begrenzung der endgültigen Korrekturen zur Vermeidung einer Maskierung der Unwucht der Komponenten

Die Motivation für die Durchführung dieses inkrementellen Ausgleichsvorgangs besteht darin, die Unwucht des Rotors im Allgemeinen zu minimieren, aber insbesondere die modale Unwucht zu reduzieren, die sich ergeben kann, wenn dieses Verfahren nicht befolgt wird.

Umfassende Methodik zur Fehlerbehebung

Systematischer Diagnoseansatz

Eine effektive Fehlersuche bei Turbinenschwingungen erfordert eine systematische Methodik, die Datenerfassung, Analyse, Hypothesenbildung und Verifizierung kombiniert. Ein strukturierter Ansatz verhindert, wichtige Informationen zu übersehen und hilft, Ursachen zu identifizieren, anstatt nur Symptome zu behandeln.

Der diagnostische Prozess folgt typischerweise diesen Schritten:

  1. Informationssammlung: Sammeln Sie alle verfügbaren Daten, einschließlich Vibrationsmessungen, Betriebshistorie, Wartungsaufzeichnungen und Beobachtungen von Bedienern. Dokumentieren Sie, wann das Problem begann, was sich vor dem Auftreten der Symptome änderte und wie sich die Vibrationen mit den Betriebsbedingungen unterscheiden.
  2. Vorläufige Analyse: Überprüfen Sie Vibrationsspektren, Zeitwellenformen und Trenddaten, um dominante Frequenzen und Muster zu identifizieren.
  3. Hypotheseentwicklung: Basierend auf Vibrationseigenschaften und Betriebskontext, entwickeln Sie eine oder mehrere Hypothesen über die Ursache.
  4. Zusätzliche Tests: Führen Sie gezielte Messungen oder Tests durch, um zwischen konkurrierenden Hypothesen zu unterscheiden.
  5. Wurzelursachenidentifizierung: Synthetisieren Sie alle verfügbaren Informationen, um die wahrscheinlichste Ursache zu identifizieren.
  6. Korrektive Aktionsplanung: Entwickeln Sie einen Plan, um die Ursache zu beheben, wobei sowohl sofortige Maßnahmen zur Wiederherstellung des Betriebs als auch langfristige Maßnahmen zur Verhinderung eines Wiederauftretens berücksichtigt werden.
  7. Implementierung und Verifizierung: Führen Sie den Plan zur Korrekturmaßnahme aus und überprüfen Sie durch Vibrationsmessungen, ob das Problem gelöst wurde.

Die Analyse und Diagnose von Vibrationsproblemen in der Dampfturbine ist entscheidend für die Formulierung von Plänen für die laufende Wartung und die Festlegung der notwendigen Maßnahmen, um den kontinuierlichen, sicheren und effektiven Betrieb der Maschine zu gewährleisten. Die Erkenntnisse aus dieser Vibrationsanalyse tragen nicht nur zu sofortigen Korrekturmaßnahmen bei, sondern informieren auch über langfristige Wartungsstrategien und mögliche Upgrades, um die Leistung und Zuverlässigkeit der Dampfturbine zu optimieren.

Visuelle Inspektion und körperliche Untersuchung

Während die Vibrationsanalyse leistungsfähige Diagnosemöglichkeiten bietet, bleiben visuelle Inspektion und körperliche Untersuchung wesentliche Komponenten der Fehlersuche.

Bei der externen Inspektion sollte Folgendes untersucht werden:

  • Fundamentzustand einschließlich Risse, Verschlechterung oder lose Ankerbolzen
  • Rohrverbindungen für übermäßige Belastung, unzureichende Unterstützung oder thermische Ausdehnungsprobleme
  • Kupplungszustand einschließlich Verschleiß, Beschädigung oder Fehlausrichtungsanzeigen
  • Lagergehäusetemperatur und Ölzustand
  • Ungewöhnliche Geräusche, Gerüche oder sichtbare Schäden
  • Zustand der Messeinrichtung und ordnungsgemäße Installation

Bei der internen Inspektion während der Ausfälle sollten folgende Aspekte bewertet werden:

  • Rotorzustand einschließlich Oberflächenschädigung, Ablagerungen, Korrosion oder Verformung
  • Klingenzustand einschließlich Rissen, Erosion, Ablagerungen oder fehlendem Material
  • Lagerzustand einschließlich Verschleißmuster, Schäden oder Clearance-Probleme
  • Dichtungsfreiheiten und Reibungsnachweise
  • Innenausrichtung und Abstände
  • Zustand des Verschlusses einschließlich Drehmoment und Verriegelungsmerkmale

Physikalische Messungen ergänzen die Schwingungsanalyse. Wellenauslaufmessungen erkennen gebogene Wellen oder exzentrische Zapfen. Lagerspielmessungen zeigen Verschleiß oder unsachgemäße Montage. Ausrichtungsmessungen überprüfen die Kopplung und die Ausrichtung der Lager. Temperaturmessungen erkennen heiße Stellen oder thermische Gradienten, die zu Verzerrungen führen können.

Operational Testing und Diagnoseläufe

Kontrollierte Betriebsprüfungen liefern wertvolle Diagnoseinformationen, indem sie aufzeigen, wie Vibrationen auf Veränderungen der Betriebsbedingungen reagieren.

Start- und Abschaltüberwachung erfasst Vibrationsdaten, während die Maschine beschleunigt oder durch ihren Betriebsbereich verlangsamt. Die ADRE 408-Einheiten spielen eine entscheidende Rolle bei der Erfassung und kontinuierlichen Speicherung von Daten während der Start-, Betriebs- und Abschaltphasen. Diese kontinuierliche Datenerfassung vereinfacht die Analyse von Bode-Diagrammen und verbessert das Verständnis der inhärenten Frequenzen der Ausrüstung. Bode-Plots dieser Transienten zeigen deutlich kritische Geschwindigkeiten, Resonanzen und wie sich Vibrationen mit der Geschwindigkeit ändern.

Lastvariation Tests untersuchen, wie sich Vibrationen mit der Maschinenlast verändern. Einige Probleme wie thermischer Bug oder Reibungen können sich bei hoher Last aufgrund erhöhter Temperaturen oder Ablenkungen verschlechtern. Andere Probleme wie Lockerheit können eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Laständerungen zeigen.

Coast-Down-Tests ermöglichen es der Maschine, nach dem Abschalten auf natürliche Weise zu verlangsamen, indem sie Daten mit abnehmenden Geschwindigkeiten ohne den Einfluss der Antriebskräfte liefern. Coast-Down-Daten zeigen oft kritische Geschwindigkeiten und Resonanzen deutlicher als der angetriebene Betrieb.

Bump-Tests beinhalten das Anwenden eines mechanischen Impulses an die stationäre oder langsam rotierende Maschine und das Messen der resultierenden Vibration. Der Frequenzgehalt der Antwort zeigt die Eigenfrequenzen des Rotors und der Tragstruktur. Der Vergleich der Ergebnisse der Stoßprüfung mit Betriebsschwingungen hilft, Resonanzbedingungen zu identifizieren.

] Langsame Rollmessungen erfassen Vibrationen bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten (normalerweise 50-200 U/min), bei denen die dynamischen Kräfte minimal sind. Langsame Rollvibrationen zeigen mechanische Ausfälle, Rotorbug- oder Sensorinstallationsprobleme an. Das Subtrahieren langsamer Rolls von Betriebsvibrationen entfernt diese Effekte und zeigt die wahre dynamische Vibration auf.

Differentielle Diagnose von gemeinsamen Problemen

Die Unterscheidung zwischen verschiedenen Schwingungsquellen erfordert das Verständnis der charakteristischen Signaturen jedes Problemtyps. Die folgenden Diagnoseleitlinien helfen, die häufigsten Ursachen zu unterscheiden:

Unwucht gegen Fehlausrichtung: Imbalance erzeugt überwiegend 1X Vibration mit relativ geringer axialer Komponente und konsistenter Phase über die Rotorlänge. Fehlausrichtung erzeugt signifikante 2X Vibration, hohe axiale Vibration und Phasenunterschiede, die sich 180° zwischen den Kupplungshälften annähern.

Mechanische Lockerung versus Resonanz: Losigkeit erzeugt mehrere Harmonische (2X, 3X, 4X, etc.) und kann gerichtete Eigenschaften oder Subharmonik zeigen. Resonanz erzeugt hohe Vibrationen bei bestimmten Geschwindigkeiten entsprechend den natürlichen Frequenzen, mit schnellen Phasenänderungen durch die Resonanz. Losigkeitsschwingung kann unvorhersehbar variieren, während Resonanz konsistentes Verhalten zeigt.

Rubs versus Lagerprobleme:Rubs erzeugen oft eine umgekehrte Präzession, Subharmonik und plötzliche Vibrationsänderungen während Transienten. Lagerprobleme erzeugen Vibrationen bei charakteristischen Defektfrequenzen (nicht synchron) oder können erhöhte Breitbandvibrationen verursachen.

Thermalbogen gegen Masseungleichgewicht: Beide erzeugen 1X Vibration, aber thermische Bogen ändert sich während des Starts, während das Massenungleichgewicht im stationären Zustand konstant bleibt. Thermischer Bogen kann eine hohe Slow-Roll-Vibration zeigen, die abnimmt, wenn sich der Rotor gleichmäßig erwärmt. Massenungleichgewicht zeigt niedrige Slow-Roll-Vibration und erhöht sich mit der Quadratgeschwindigkeit.

Dokumentation und Wissensmanagement

Eine effektive Fehlersuche geht über die Lösung des unmittelbaren Problems hinaus und erfasst Wissen, das zukünftige diagnostische Bemühungen verbessert. Eine umfassende Dokumentation dient mehreren Zwecken, einschließlich der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, Trendanalysen und organisatorischem Lernen.

Vibrationsdatenbanken sollten historische Aufzeichnungen führen, einschließlich Basismessungen aus der Inbetriebnahme, periodische Überwachungsdaten und Messungen vor und nach der Wartung.

Problemberichte sollten Symptome, Analysemethoden, Ursachenbestimmung, Korrekturmaßnahmen und Ergebnisse dokumentieren. Einschließlich Vibrationsspektren, Zeitwellenformen und andere diagnostische Daten liefern einen Kontext für zukünftige Referenzen. Die aus jedem Problem gelernten Lektionen helfen, Wiederholungen zu verhindern und die Fehlersuche bei ähnlichen Problemen zu leiten.

Standardverfahren sollten Frequenzen für die Vibrationsüberwachung, Alarmgrenzen, Diagnoseprotokolle und Eskalationsverfahren festlegen, die eine einheitliche Vorgehensweise in Schicht und Personal gewährleisten und das Risiko verringern, dass auftretende Probleme übersehen oder Daten falsch interpretiert werden.

Trainingsprogramme sollten sowohl theoretisches Verständnis als auch praktische Fähigkeiten entwickeln. Die Kombination von Unterricht in der Klasse zu Vibrationsgrundlagen mit praktischer Erfahrung bei der Analyse realer Maschinendaten führt zu kompetenten Diagnostikern, die komplexe Probleme effektiv beheben können.

Präventive Strategien und Zustandsüberwachung

Kontinuierliche Überwachungssysteme

Moderne Turbinenanlagen setzen zunehmend kontinuierliche Überwachungssysteme ein, die Echtzeit-Schwingungsdaten und automatisierte Diagnose liefern. Der gesamte Antriebsstrang ist mit Schwingungssensoren ausgestattet, die die Schwingungen aller Komponenten kontinuierlich messen und an ein Datenerfassungssystem senden. Die Daten werden dann von Schwingungsspezialisten mit fortschrittlicher Analysesoftware verarbeitet und gespeichert und periodisch analysiert. Durch die periodische Analyse von Windkraftanlagen wird ein Trend aufgebaut, der es dem Schwingungsspezialisten ermöglicht, durch Trendanalysen einen Einblick in den Zustand des Antriebsstrangs zu gewinnen.

Kontinuierliche Überwachung bietet mehrere Vorteile gegenüber periodischen Messungen. Probleme können sofort erkannt werden, wenn sie sich entwickeln, anstatt auf die nächste geplante Messung zu warten. Transiente Ereignisse beim Anfahren, Abschalten oder Lastwechsel werden automatisch erfasst. Trending-Algorithmen erkennen allmähliche Verschlechterungen, die bei einzelnen Messungen möglicherweise nicht erkennbar sind. Automatisierte Alarme melden dem Personal, wenn Vibrationen akzeptable Grenzwerte überschreiten.

Wirksame Überwachungssysteme erfordern eine sorgfältige Auslegung, einschließlich einer geeigneten Sensorauswahl und -platzierung, angemessener Datenerfassungsmöglichkeiten, robuster Datenspeicherung und -verwaltung, ausgefeilter Analysealgorithmen sowie klarer Alarm- und Benachrichtigungsprotokolle.

Mit der periodischen Schwingungsüberwachung und -analyse kann ein solches defektes Lager früher und besser antizipiert erkannt werden, was die Reparaturkosten erheblich senkt. Darüber hinaus trägt die vorgenannte Trendanalyse zur Ertragsoptimierung bei. Mit der Trendanalyse kann festgestellt werden, ob ein Lager mit Anfangsschaden während der Saison mit dem höchsten Windpotential noch kostengünstig arbeiten kann, und es wird gezeigt, wie die Überwachung optimierte Wartungsentscheidungen ermöglicht.

Predictive Maintenance Programme

Vibrationsüberwachung bildet die Grundlage für vorausschauende Wartungsprogramme, die die Wartung auf der Grundlage des tatsächlichen Ausrüstungszustands und nicht auf festen Zeitabständen planen. Vermögensverwalter, Betreiber und Betreiber von Windkraftanlagen haben zwei Hauptziele: 1 die Optimierung der Verfügbarkeit von Windkraftanlagen und 2 die Umsetzung einer möglichst kostengünstigen Wartungsstrategie. In diesem Artikel erklären wir, wie die Vibrationsüberwachung zur Optimierung der Verfügbarkeit und Wartungseffizienz von Windkraftanlagen beiträgt.

Predictive Maintenance bietet mehrere Vorteile, darunter reduzierte ungeplante Ausfallzeiten durch Erkennen von Problemen vor dem Ausfall, optimierte Wartungsintervalle basierend auf dem tatsächlichen Zustand, reduzierte Wartungskosten durch Vermeidung unnötiger Arbeit, verbesserte Sicherheit durch Identifizierung gefährlicher Bedingungen und verlängerte Lebensdauer der Ausrüstung durch rechtzeitiges Eingreifen.

Erfolgreiche vorausschauende Wartungsprogramme erfordern die Festlegung von Basisschwingungseigenschaften für den normalen Betrieb, die Festlegung von Alarm- und Alarmgrenzen auf der Grundlage von Standards und Erfahrungen, die Implementierung regelmäßiger Überwachung in angemessenen Abständen, die Analyse von Trends zur Ermittlung von Degradation, die Planung von Wartungsarbeiten auf der Grundlage von Zustand und Kritikalität und die Überprüfung der Wirksamkeit durch Messungen nach der Wartung.

Wenn die Wartung durch Vibrationsüberwachung und periodische Vibrationsanalyse (und zusätzliche Techniken) planbar gemacht werden kann, kann die Wartung effizienter durchgeführt werden, was die Abstimmung mit den Produktionsplänen, die Beschaffung von Teilen vor dem Ausfall und die Optimierung der Wartungsressourcen ermöglicht.

Akzeptanzprüfung und Inbetriebnahme

Die korrekte Abnahmeprüfung während der Inbetriebnahme legt die Grundschwingungseigenschaften fest und überprüft, ob neue oder überholte Geräte den Spezifikationen entsprechen; umfassende Prüfungen sollten Vibrationsmessungen bei mehreren Geschwindigkeiten und Belastungen umfassen; Überprüfung, ob die Vibrationen unter den Abnahmekriterien bleiben; Dokumentation der Vibrationseigenschaften für zukünftige Referenzzwecke; Identifizierung und Behebung von Problemen vor der Inbetriebnahme der Geräte.

Die Akzeptanzkriterien sollten auf geltende Normen wie ISO 20816 für die Schwere der Vibration oder API-Normen für Turbomaschinen verweisen, wobei die Messstellen, Parameter (Weg, Geschwindigkeit oder Beschleunigung), Frequenzbereiche und Betriebsbedingungen für Messungen anzugeben sind.

Die Basisdokumentation sollte Vibrationsspektren an wichtigen Betriebspunkten, Bode-Plots vom An- und Abfahren, Umlaufbahndiagramme mit normaler Wellenbewegung, Phasenmessungen für den zukünftigen Vergleich und Gesamtschwingungspegel für die Trendbildung enthalten.

Best Practices für den Betrieb

Durch die Steuerung von An- und Abfahrvorgängen wird die thermische Belastung minimiert und übermäßige Vibrationen während kritischer Geschwindigkeitstransienten vermieden. Durch die allmähliche Belastung werden plötzliche thermische Erschütterungen verhindert und die Maschine kann sich in jedem Betriebspunkt stabilisieren.

Die Einhaltung der Betriebsparameter, einschließlich Temperaturen, Drücke und Strömungen, hält die Maschine unter den Konstruktionsbedingungen. Ein Betrieb außerhalb der Konstruktionsgrenzen kann zu Wärmeverformungen, strömungsbedingten Vibrationen oder anderen Problemen führen.

Die Vermeidung schneller Lastwechsel und thermischer Zyklen reduziert die Belastung der Bauteile und minimiert thermische Verformungen. Wenn Lastwechsel notwendig sind, ermöglicht die schrittweise Umsetzung der Maschine eine Anpassung ohne übermäßige transiente Vibrationen oder thermische Belastung.

Die richtige Schmierung, einschließlich der richtigen Ölart, Temperatur und Sauberkeit, ist für die Lagerleistung von wesentlicher Bedeutung. Kontaminiertes oder abgebautes Öl kann Lagerschäden verursachen, die zu Vibrationen führen. Regelmäßige Ölanalysen und rechtzeitige Ölwechsel verhindern Schmierungsprobleme.

Fortgeschrittene Themen und neue Technologien

Machine Learning und Künstliche Intelligenz

In diesen Bereichen hat maschinelles Lernen durch neue Hardware- und Cloud-basierte Lösungen eine noch größere Wirkung. Mit dieser Forschung wenden wir die Entfernungs-aufgelöste Interferometrie (RRI) auf die Wartung von Windkraftanlagen an, wobei einige der wichtigsten Machine-Learning-Techniken (ML) zum Einsatz kommen. Die Degeneration elektrischer und mechanischer Komponenten von Windkraftanlagen kann mit dieser Methode des automatischen und autonomen Lernens vorhergesagt, erkannt und antizipiert werden.

Machine-Learning-Algorithmen können große Mengen an Vibrationsdaten analysieren, um Muster zu identifizieren, die menschliche Analysten möglicherweise übersehen. Überwachte Lerntechniken trainieren Modelle auf gekennzeichneten Daten (bekannte Fehlerzustände), um ähnliche Muster in neuen Daten zu erkennen. Unüberwachtes Lernen identifiziert Anomalien, indem Abweichungen von normalen Betriebsmustern erkannt werden, ohne dass gekennzeichnete Fehlerbeispiele erforderlich sind.

Neuronale Netze und Deep-Learning-Ansätze können komplexe, mehrdimensionale Schwingungsdaten verarbeiten, um Fehlertypen zu klassifizieren, die verbleibende Lebensdauer vorherzusagen und Wartungspläne zu optimieren. Diese Techniken sind besonders vielversprechend für komplexe Maschinen, bei denen die traditionelle regelbasierte Diagnose mit der Vielzahl möglicher Fehlerkombinationen und Betriebsbedingungen zu kämpfen hat.

Zu den Herausforderungen bei der Anwendung von maschinellem Lernen auf die Schwingungsanalyse gehören die Notwendigkeit großer Trainingsdatensätze, Schwierigkeiten bei der Beschaffung gekennzeichneter Fehlerdaten, die Gewährleistung der Modellinterpretierbarkeit für sicherheitskritische Anwendungen und die Validierung der Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Trotz dieser Herausforderungen stellt maschinelles Lernen eine vielversprechende Richtung für die Weiterentwicklung der Schwingungsdiagnose dar.

Wireless Sensor Networks und IoT Integration

Drahtlose Vibrationssensoren machen eine umfangreiche Verkabelung überflüssig, reduzieren die Installationskosten und ermöglichen die Überwachung von zuvor unzugänglichen Orten. Moderne drahtlose Sensoren verfügen über lokale Verarbeitungsmöglichkeiten, die nur relevante Daten oder Warnungen anstelle von kontinuierlichen Rohsignalen übertragen. Dies reduziert den Stromverbrauch und den Netzwerkbandbreitenbedarf.

Die Integration mit industriellen Internet of Things (IIoT)-Plattformen ermöglicht die Kombination von Vibrationsdaten mit anderen Betriebsdaten, einschließlich Temperaturen, Drücken, Strömungen und Stromverbrauch. Diese ganzheitliche Ansicht des Gerätezustands bietet einen Kontext für die Vibrationsanalyse und ermöglicht eine ausgefeiltere Diagnose, die die gesamte Betriebsumgebung berücksichtigt.

Cloud-basierte Analyseplattformen verarbeiten Daten von mehreren Maschinen und Einrichtungen, identifizieren flottenweite Trends und ermöglichen Benchmarking für ähnliche Geräte. Zentralisiertes Fachwissen kann mehrere Standorte unterstützen und Softwareupdates automatisch bereitstellen, ohne dass Website-Besuche erforderlich sind.

Zu den Herausforderungen gehören die Gewährleistung einer zuverlässigen drahtlosen Kommunikation in industriellen Umgebungen, das Management von Cybersicherheitsrisiken, die Aufrechterhaltung einer angemessenen Batterielebensdauer oder die Energiegewinnung sowie die Integration verschiedener Sensortypen und Kommunikationsprotokolle. Mit der Reife dieser Technologien versprechen sie, eine fortschrittliche Vibrationsüberwachung zugänglicher und kostengünstiger zu machen.

Fortschrittliche Sensortechnologien

Neue Sensortechnologien bieten neue Möglichkeiten für die Vibrationsüberwachung und -diagnose. Faseroptische Sensoren bieten Immunität gegen elektromagnetische Störungen, intrinsische Sicherheit für gefährliche Umgebungen und die Fähigkeit, mehrere Punkte entlang einer einzelnen Faser zu messen. Verteilte faseroptische Sensoren können Vibrationen entlang der gesamten Länge einer Turbinenschaufel oder Welle überwachen.

MEMS-Beschleunigungsmesser (Micro-Electro-Mechanical Systems) verbessern ihre Leistung weiter, während sie in Größe und Kosten abnehmen. Moderne MEMS-Sensoren konkurrieren mit der Leistung herkömmlicher piezoelektrischer Beschleunigungsmesser und bieten geringere Kosten, kleinere Größe und integrierte Elektronik. Dies ermöglicht den Einsatz von mehr Sensoren für eine Überwachung mit höherer räumlicher Auflösung.

Die berührungslose Messtechnik, einschließlich Laser-Doppler-Vibrometrie, ermöglicht eine Vibrationsmessung ohne physischen Kontakt mit der Maschine. Dies ist für rotierende Bauteile, Hochtemperaturoberflächen oder Situationen, in denen die Sensorinstallation nicht praktikabel ist, von Vorteil. Die Vibrationen in zwei unterschiedlichen Fehlerzuständen werden mit Hilfe eines Scannerlasers detektiert. Das vorgeschlagene Verfahren ist daher sehr nützlich für die Überwachung und Diagnose von Fehlern in Windkraftanlagen.

Akustische Emissionssensoren erfassen hochfrequente Spannungswellen, die durch Risswachstum, Stöße und andere Schadensmechanismen erzeugt werden. Diese Sensoren ergänzen die herkömmliche Vibrationsüberwachung, indem sie beginnende Ausfälle erkennen, bevor sie signifikante Vibrationen erzeugen.

Digital Twin Technologie

Digitale Zwillinge – virtuelle Nachbildungen von physikalischen Assets, die in Echtzeit auf Basis von Sensordaten aktualisiert werden – stellen einen aufkommenden Ansatz für die Geräteüberwachung und -optimierung dar. Ein digitaler Zwilling einer Turbine umfasst detaillierte Modelle der Rotordynamik, des thermischen Verhaltens, der Strukturmechanik und der Strömungsdynamik, die auf die tatsächlichen Maschineneigenschaften abgestimmt sind.

Der digitale Zwilling vergleicht das vorhergesagte Verhalten basierend auf Betriebsbedingungen kontinuierlich mit den tatsächlichen gemessenen Vibrationen und anderen Parametern. Abweichungen zwischen vorhergesagtem und tatsächlichem Verhalten weisen auf auftretende Probleme hin, auch wenn die Vibration innerhalb normaler Grenzen bleibt. Dies ermöglicht eine frühere Erkennung von Degradation und eine genauere Diagnose von Ursachen.

Digitale Zwillinge ermöglichen auch eine "Was-wäre-wenn"-Analyse, um vorherzusagen, wie die Maschine auf verschiedene Betriebsszenarien, Wartungsstrategien oder Komponentenmodifikationen reagiert.

Die Implementierung digitaler Zwillinge erfordert erhebliche Anstrengungen zur Entwicklung und Validierung von Modellen, zur Integration von Echtzeit-Datenströmen und zur Aufrechterhaltung der Modellgenauigkeit, wenn sich die Alterung der Geräte und die Bedingungen ändern. Für kritische, hochwertige Assets bieten digitale Zwillinge jedoch erhebliche Vorteile bei der Zuverlässigkeit, Leistungsoptimierung und Kostensenkung im Lebenszyklus.

Fallstudien und praktische Beispiele

Dampfturbinen-Vibrationsfehlerbehebung

Eine Fallstudie aus der industriellen Praxis veranschaulicht den Diagnoseprozess für eine Dampfturbine mit hoher Vibration. Hohe Vibrationsausschläge traten auf dem Dampfturbinenrotor auf und lösten das Gerät während des Starts oder bei Nenndrehzahl durchweg aus. Daher wurde der Autor gebeten, die Ursache der hohen Vibration zu diagnostizieren. Es wurde vorübergehend eine optische Keyphasor-Sonde installiert, um einmal pro Wende Signale zu messen, um gefilterte 1X Vibrationsdaten zu erhalten.

Erste Analysen ergaben, dass bei Nenndrehzahlen von etwa 4350 U/min die direkte Schwingungsamplitude am IB-Lager weiter zunahm. Nach 20 Minuten stieg sie von etwa 1 mil pp auf 4 mil pp. Der fortschreitende Anstieg der Schwingung bei konstanter Drehzahl deutete auf einen thermischen Effekt hin, anstatt auf ein einfaches Ungleichgewicht.

Die Phasenanalyse lieferte den entscheidenden diagnostischen Hinweis. Die 1X-Schwingungsvektoren änderten während des stationären Betriebs kontinuierlich ihre Richtung und rollten gegen die Richtung der Wellenrotation. Dieses charakteristische Verhalten zeigte einen Reibzustand an, bei dem der Kontakt zwischen rotierenden und stationären Teilen Wärme erzeugte, was zu einem im Laufe der Zeit zunehmenden thermischen Bogen führte.

Die Bode-Plots vom An- und Abfahren bestätigten die Diagnose, zeigten Hinweise auf Wellenbogen bei niedrigen Geschwindigkeiten und veränderten Vibrationseigenschaften, während sich die Maschine erwärmte. Die Korrekturmaßnahme umfasste die Inspektion von Dichtungsspalten während eines Ausfalls, die Identifizierung von Stellen, an denen die Spalten unzureichend waren, und die Bearbeitung stationärer Komponenten, um einen ordnungsgemäßen Abstand zu gewährleisten. Nach dieser Korrektur arbeitete die Turbine reibungslos, ohne dass die fortschreitende Schwingung zunahm.

Erfolgreicher Gasturbinenausgleich

Ein Gasturbinenkompressor zeigte nach einer Generalüberholung hohe Vibrationen. Erste Vibrationsmessungen zeigten 1X Vibration von 4,5 mils am Verdichterlager, deutlich über dem 2,0 mil Akzeptanzkriterium. Das Schwingungsspektrum wurde von 1X Laufgeschwindigkeit dominiert, was auf ein Ungleichgewicht als Hauptursache hindeutet.

Die Zweiebenenabgleichung erfolgte nach dem Einflußkoeffizientenverfahren. In den beiden zugänglichen Waagenebenen wurden nacheinander Versuchsgewichte eingebaut und aus den resultierenden Schwingungsänderungen Einflußkoeffizienten berechnet. Die Analyse ergab, daß in beiden Ebenen signifikante Korrekturgewichte erforderlich waren, wobei die größere Korrektur am Verdichterende erforderlich war.

Nach dem Einbau der berechneten Korrekturgewichte sank die Schwingung auf 1,2 mils - weit innerhalb der Akzeptanzgrenzen -, die Schwingung am Turbinenlager nahm jedoch leicht zu, was auf eine Kopplung zwischen dem Verdichter und den Turbinenrotoren hindeutet. Eine zweite Ausgleichs-Iteration mit kleineren Anpassungen an beiden Rotoren erreichte bei allen Lagern im gesamten Betriebsdrehzahlbereich eine Schwingung unter 1,0 mil.

Dieser Fall zeigt die Bedeutung der Messung von Vibrationen an mehreren Orten, die Wirksamkeit des Einflusskoeffizientenverfahrens für den Feldausgleich und die Notwendigkeit einer Iteration beim Ausgleich gekoppelter Rotoren: Die Gesamtzeit von den Erstmessungen bis zur endgültigen Abnahme betrug etwa 8 Stunden, wodurch wochenlange Stillstandszeiten für den Rotorentfernungs- und Werkstattausgleich vermieden werden konnten.

Fehlausrichtungsdiagnose und -korrektur

Ein Turbinengenerator-Set entwickelte mehrere Monate nach Inbetriebnahme erhöhte Vibrationen. Das Schwingungsspektrum zeigte starke 1X- und 2X-Komponenten, wobei sich die 2X-Amplitude dem 1X-Niveau näherte. Die axiale Vibration war ungewöhnlich hoch und misste 60% der radialen Vibration im Vergleich zu den typischen 25-30% für symmetrische Maschinen.

Die Phasenmessungen ergaben einen Phasenunterschied von 180° zwischen der Turbinen- und Generatorkupplungshälfte, was stark auf eine Fehlausrichtung hindeutet. Berechnungen des thermischen Wachstums zeigten, dass der Generator bei Erreichen der Betriebstemperatur um etwa 0,015 Zoll anstieg, während die Turbine relativ stabil blieb.

Die Korrekturmaßnahme bestand darin, die Kaltausrichtung so einzustellen, daß ein unterschiedliches thermisches Wachstum ausgeglichen wird. Der Generator wurde während der Kaltausrichtung durch den berechneten Wärmewachstumsbetrag absichtlich niedrig eingestellt. Nach dieser Einstellung und einem kontrollierten Anfahren sanken die Schwingungen auf akzeptable Werte, der 2X-Anteil sank auf weniger als 20% der 1X-Amplitude und die axiale Schwingung kehrte zu normalen Verhältnissen zurück.

Dieser Fall verdeutlicht die Bedeutung der Berücksichtigung thermischer Effekte bei der Ausrichtung, des diagnostischen Werts der Frequenzanalyse und Phasenmessungen sowie der Notwendigkeit, die Ausrüstung auf Betriebsbedingungen und nicht auf kalte Bedingungen auszurichten, wenn ein signifikantes thermisches Wachstum auftritt.

Fazit: Integrieren von Theorie und Praxis

Die erfolgreiche Fehlerbehebung bei Schwingungsproblemen in Industrieturbinen erfordert die Beherrschung sowohl theoretischer Prinzipien als auch praktischer Diagnosefähigkeiten. Die theoretische Grundlage bietet ein Verständnis der Rotordynamik, der Schwingungsmechanismen und der Abgleichprinzipien, die diagnostische Bemühungen und Korrekturmaßnahmen leiten. Praktische Erfahrung entwickelt die Fähigkeiten zur Mustererkennung, Intuition und Urteilsvermögen, die erforderlich sind, um komplexe Probleme unter realen Bedingungen effizient zu diagnostizieren.

Die effektivsten Praktiker kombinieren diese Dimensionen, wenden theoretisches Wissen an, um Vibrationssignaturen zu interpretieren, während sie auf praktische Erfahrungen zurückgreifen, um die diagnostischen Bemühungen auf die wahrscheinlichsten Ursachen zu konzentrieren. Sie verstehen, dass Vibrationsanalyse sowohl Wissenschaft als auch Kunst ist - rigorose Messung und Analyse kombiniert mit fundiertem Urteilsvermögen basierend auf Erfahrung.

Mit dem Fortschritt der Turbinentechnologie und der Erweiterung der Überwachungsfähigkeiten entwickelt sich das Gebiet der Schwingungsanalyse weiter. Neue Technologien wie maschinelles Lernen, drahtlose Sensoren und digitale Zwillinge versprechen eine Verbesserung der Diagnosefähigkeiten und ermöglichen proaktivere Wartungsstrategien. Die grundlegenden Prinzipien der Rotordynamik und der Schwingungsanalyse sind jedoch nach wie vor wesentliches Wissen für alle, die mit rotierenden Maschinen arbeiten.

Unternehmen, die in Vibrationsüberwachungsprogramme investieren, Personal in Diagnosetechniken ausbilden und eine umfassende Dokumentation der Ausrüstungshistorie führen, positionieren sich selbst, um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Turbine zu maximieren. Die Kosten für Vibrationsüberwachung und -analyse machen einen kleinen Bruchteil des geschützten Wertes aus - Vermeidung ungeplanter Ausfälle, Vermeidung katastrophaler Ausfälle und Optimierung der Wartungskosten.

Für Ingenieure und Techniker, die mit Industrieturbinen arbeiten, bietet die Entwicklung von Fachwissen in der Schwingungsanalyse sowohl professionelle Zufriedenheit als auch einen greifbaren Wert für ihre Organisationen. Die Fähigkeit, Schwingungsprobleme zu diagnostizieren und zu lösen, hält kritische Geräte am Laufen, verhindert kostspielige Ausfälle und trägt direkt zur operativen Exzellenz bei. Durch das Ausbalancieren des theoretischen Verständnisses mit praktischen Fähigkeiten zur Fehlerbehebung dienen Vibrationsspezialisten als wesentliche Hüter der Zuverlässigkeit und Leistung der Turbine.

Zusätzliche Mittel

Für Fachleute, die ihr Wissen über die Analyse und den Ausgleich von Turbinenschwingungen vertiefen möchten, stehen zahlreiche Ressourcen zur Verfügung. Industrienormen, darunter die Reihen ISO 20816 für die Bewertung des Schwingungsschweregrads und ISO 21940 für den Rotorausgleich, bieten maßgebliche Leitlinien für akzeptable Praktiken und Kriterien. API-Normen für Turbomaschinen bieten detaillierte Spezifikationen für kritische Ausrüstungen in der Erdöl- und Chemieindustrie.

Berufsverbände wie das Vibration Institute bieten Schulungsprogramme, Zertifizierungen und Konferenzen an, die sich auf Vibrationsanalyse und Zustandsüberwachung konzentrieren. Das Turbomachinery Laboratory der Texas A & M University veranstaltet jährliche Symposien mit den neuesten Forschungs- und praktischen Anwendungen in der Turbomaschinentechnologie. Gerätehersteller bieten Schulungen an, die speziell für ihre Produkte und Überwachungssysteme geeignet sind.

Online-Ressourcen wie technische Artikel, Webinare und Diskussionsforen ermöglichen ein kontinuierliches Lernen und die Verbindung mit der Vibrationsanalyse-Community. Bleiben Sie auf dem neuesten Stand mit neuen Technologien und Best Practices stellt sicher, dass die Diagnosefähigkeiten mit der Weiterentwicklung der Turbinentechnologie und der Überwachungssysteme Schritt halten.

Für weitere Informationen über Vibrationsüberwachungssysteme und bewährte Verfahren bieten die ISO 20816-Standards umfassende Leitlinien. Das American Petroleum Institute bietet detaillierte Spezifikationen für Turbomaschinen in kritischen Anwendungen. Das FLT: 5 bietet Schulungs- und Zertifizierungsprogramme für Vibrationsanalysten. FLT: 6 Power-MI bietet praktische Einblicke in die Analyse von Dampfturbinenvibrationen. Die FLT: 8 von Baker Hughes bietet fortschrittliche Überwachungssysteme und Diagnose-Know-how für rotierende Maschinen.