DD255588A1

DD255588A1 - Verfahren zur schwingungsueberwachung rotierender maschinen

Info

Publication number: DD255588A1
Application number: DD29562086A
Authority: DD
Inventors: Manfred Weigel; Gunnar Heymann; Wolfram Schneider
Original assignee: Inst Energieversorgung
Priority date: 1986-10-27
Filing date: 1986-10-27
Publication date: 1988-04-06
Also published as: DE3725123A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhoehung der Selektivitaet bei der Schwingungsuntersuchung fuer die Diagnose und Ueberwachung des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen, insbesondere gleitgelagerter thermischer Turbomaschinen, mit dem Ziel der Schadensvermeidung, Schadensfrueherkennung und Vermeidung von Folgeschaeden. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bisher bestehenden Diagnosemoeglichkeiten auf die konstruktiven Besonderheiten der betreffenden Anlagen im allgemeinen und ihrer Fahrweise im speziellen durch weiterfuehrende Betrachtung der Schwingungszeiger (Betrag und Phasenwinkel) zu beruecksichtigen. Das erfolgt erfindungsgemaess, indem in einem Zeigerspeicher (1) die zur Drehfrequenz harmonischen Signalanteile fuer verschiedene Zustaende abgelegt werden, in einem Bezugswertspeicher (2) das arithmetische Mittel fuer jeden Signalanteil abgelegt wird und ein Ueberwachungsmodul (3) den Differenzwertzeiger zwischen aktuellem Zustand und mittlerem Bezugszustand ermittelt, mit dem Normalbereich vergleicht und eventuelle Verletzungen signalisiert. Zusaetzlich zum Zeigerspeicher (2) wird ein Parameterspeicher (4) gebildet, der zum jeweiligen Messpunkt die zugehoerigen Betriebsparameter erfasst. Ein Repressator 5 stellt eine Funktion zur Vorausbestimmung des Bezugswertes bereit. Fig. 3 b

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Selektivität bei der Schwingungsüberwachung für die Diagnose und Überwachung des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen, insbesondere gleitgelagerter thermischer Turbomaschinen mit dem Ziel der Schadensyerrrieidung, Schadensfrüherkennung und Vermeidung von Folgeschäden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Nach wie vor sind in nationalen und internationalen Standards und Richtlinien Überwachungsverfahren für Schwingungen an rotierenden Maschinen festgelegt, die von einer globalen Beurteilung des Schwingungsniveaus ausgehen. Zur Bewertung mechanischer Schwingungen an Lagern wird beispielsweise die Schwingungsintensität an den Außenflächen von Lagergehäusen im Frequenzbereich von 10 bis 1000 Hz als Meßgröße festgelegt. Bei Wellenschwingungen wird vorzugsweise der maximale Wellenausschlag als Beurteilungsgröße verwendet. Die Effektivwertbestimmung (Bildung des quadratischen Mittelwertes) bzw. die Ermittlung des Spitzenwertes bei Wellenschwingungen hat zur Folge, daß alle wesentlichen Informationen des Schwingungssignales (ζ. B. Frequenzanteile, Phasenlage) für eine weitere diagnostische Verarbeitung verloren gehen und nicht zur Verfügung stehen.

Die bekannten Verfahren nach DD-WP 158581 und DD-WP 221 550 gehen von einer ursachenbezogenen selektiven .Überwachung aus, gekennzeichnet durch:

— Realisierung einer phasenstarren, auf den Rotor bezogenen, Erfassung der Lager- und Wellenschwingungssignale,

:— selektive Verarbeitung der Schwingungssignale über Ordnungsanalyse, d. h. automatische Berechnung und Überwachung von Schwingungszeigern (Beträge und Phasenwinkel) für die bei gleitgelagerten Turbomaschinen typischen Hauptfrequenzanteile (drehfrequent, doppeltdrehfrequent)

— Zusammenfassung des restlichen Spektrums zu einer neuen Kenngröße, dem „Schwingungsrestwertpegel", der dem Signalpegel entspricht, wenn der dreh-und doppeltdrehfrequente Anteil eliminiert wird

— FFT-Analysen zur Ermittlung weiterer Signalkomponenten erfolgen nur, wenn der Schwingungsrestwertpegel oder seine Veränderung feinfühlig vorgegebene Grenzwerte verletzt.

Die Nachteile bestehender Systeme liegen in der ungenügenden, willkürlichen Bestimmung der Systemkonstanten. Dabei wird ein beliebiger Zustand als Bezugszustand definiert. Diese Herangehensweise berücksichtigt nicht Veränderungen, die aus dem normalen Schwankungsbereich der beeinflussenden Betriebsparameter resultieren. Außerdem sind die meßbaren Wirkungen im Schwingungsverhalten abhängig von den konstruktiven Besonderheiten des jeweiligen Turbosatzes, der jeweiligen Meßstelle und der Fahrweise des Turbosatzes.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Diagnosemöglichkeiten an gleitgelagerten Turbomaschinen im Sinne der Schadensfrüherkennung sowie der zustandsabhängigen Instandhaltung zu erhöhen. Insbesondere geht es darum, typspezifische, meßortabhängige Kenngrößen der Schwingungsdiagnostik zu bestimmen, um den mechanischen Zustand und dessen Veränderungen eindeutig bewerten zu können.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung soll die Selektivität der Überwachung rotierender Maschinen zur Feststellung von anormalen Betriebszuständen auf ein optimales Maß erhöht werden, das die gegenwärtige Erkennbarkeitsschwelle für Anomalitäten qualitativ erheblich erweitert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schwingungsdiagnostik an gleitgelagerten Turbomaschineh zu schaffen, das es gestattet, die konstruktiven Besonderheiten der betreffenden Anlagen im allgemeinen sowie ihrer Fahrweise im speziellen durch weiterführende Betrachtung der Schwingungszeiger (Betrag und Phasenwinkel) zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß erfolgt die Meßwerterfassung von Wellen- und/oder Lagerschwingungssignalen, indem in einem Zeigerspeicher die zur Drehfrequenz harmonischen Signalanteile — insbesondere die erste und zweite Harmonische — bei verschiedenen Zuständen abgelegt werden, die dadurch charakterisiert sind, daß sie einen im normalen Betrieb typischen Schwankungsbereich für die Betriebsparameter überstreichen. In einem Bezugswertspeicher wird das arithmetische Mittel für jeden Signalanteil abgelegt. Um die mittleren Bezugszeiger entstehen Schwankungsbereiche, die die konstruktiven Besonderheiten des Turbosatzes, die Besonderheiten seiner Fahrweise und des jeweiligen Meßortes erfassen und den realen Normalbereich kennzeichnen. Der Bezugswertzeiger kennzeichnet den Mittelpunkt einer Fläche, die den Normalbereich umfaßt. Ein Überwachungsmodul hat die Aufgabe, den Differenzzeiger zwischen aktuellem Zustand und mittlerem Bezugszustand zu ermitteln und mit der Erstreckung des Normalbereiches zu vergleichen, um eventuelle Verletzungen des Normalbereiches zu signalisieren. Nath der Erfahrung ist die Erstreckung der Fläche um die mittleren Bezugszeiger an den verschiedenen Meßstellen unterschiedlich groß. Insbesondere dann, wenn parameterabhängige Schwingungen vorliegen, ergeben sich große Streubereiche. Erfindungsgemäß findet das dadurch Berücksichtigung, daß zusätzlich zum Zeigerspeicher ein Parameterspeicher gebildet wird, der zum jeweiligen Meßpunkt die zugehörigen Betriebsparameter erfaßt. Ist die Anzahl der Einzelmessungen genügend groß, können zusätzlich charakteristische Kennzahlen nach statistischen Methoden geschätzt werden. Ein sogenannter Regressator stellt eine Funktion bereit, mit der es möglich wird, den Bezugswert vorauszubestimmen. Damit entsteht ein parameterabhängiger Bezugszeiger, der es gestattet, insbesondere die betriebsparameterabhängigen Schwankungen zu erfassen. Durch dieses Verfahren wird die Selektivität der Überwachung zur Feststellung von anomalen Betriebszuständen wesentlich erhöht. '

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es nunmehr möglich,

— von einer globalen Beurteilung des mechanischen Zustandes zur typspezifischen, meßortabhängigen Überwachung überzugehen,

— aus der Kenntnis der ablaufenden Schädiguhgsprozesse eine ursachenbezogene Überwachung durchzuführen,

— die Parameterabhängigkeit von Schwingungszuständen zu berücksichtigen und

— Veränderungen des mechanischen Zustandes feinfühliger als bisher möglich festzustellen.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Lösung setzt ein Schwingungsüberwachungssystem voraus, das die in der Charakteristik der bekannten technischen Lösungen aufgestellten Forderungen erfüllt. Beispielsweise ist ein Meß- und Überwachungsprinzip nach DD-WP 158581 zugrunde zu legen. Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird nachstehend eine bevorzugte Verfahrensform für die erfindungsgemäße Lösung dargestellt. Die Zeichnung zeigt

Fig. 1: Prinzipdarstellung der 3fach gestaffelten Form der Grenzwertüberwachung zur Erläuterung von Grenz- und Bezugswerten

Fig. 2: Grafik zu den erfindungsgemäß zu ermittelnden Grenz-und Bezugswerten (GD; 0) Fig. 3: Ablaufschemata zur Ermittlung der Grenz-und Bezugswerte (GD; 0).

Durch die Punkte P; (i = [1,n])wirdin Fig. 1 die Bewegungskurve eines selektiven Schwingungszeigers χ (xi_n; X_2n) charakterisiert. Diese Bewegungskurve beinhaltet die beim praktischen Betrieb möglichen Veränderungen eines entsprechenden Schwingungszeigers. Die Aufgabe, anormale Betriebszustände, die sich im Schwingungsverhalten äußern und schadensbedingte Veränderungen möglichst genau und im Entstehungsstadium zu erfassen, wird durch die Definition von zulässigen Bereichen (Grenzwerten) gelöst.

— G1, G 2 sind Grenzwerte (Vorwarnung, Hauptwarnung) für die Beträge der selektiven Schwingungszeiger. Sie entsprechen in etwa den in den internationalen Schwingungsnormen festgelegten Grenzwerten für Schwingungsintensität bzw. Effektivwert für Lagerschwingungen und Spitzenwert für Wellenschwingungen. Damit ist eine große Einschätzung des Zustandes der Maschine möglich (Stand der Technik).

— GD charakterisiert den zulässigen Bereich für Veränderungen eines selektiven Schwingungszeigers um den Bezugszustand P₀, wobei die Vektoren PiP₀, P₂Po---P_nPo auf Grenzwertüberschreitungen getestet werden.

Damit ist die Erfassung von „normalen" parameterabhängigen Veränderungen möglich, die außerdem noch vom jeweiligen Meßort, d. h. von den konstruktiven Besonderheiten beeinflußt werden.

— GT begrenzt die zeitliche, insbesondere sprunghafte Veränderung eines selektiven Schwingungszeigers auf einen zulässigen Wert, indem die Vektoren P₂Pi, P₃P₂...P_nP_n_·, berechnet und getestet werden.

Erfindungsgemäß geht es darum, die zulässigen Grenzen GD unter Berücksichtigung des normalen Schwingungsverhaltens auf dem kleinstmöglichen Niveau festzulegen.

Fig. 2 zeigt die 2 prinzipiellen Möglichkeiten zur Grenz- und Bezugswertbestimmung. Im Fall a) liegen keine parameterabhängigen Beeinflussungen des Schwingungszeigers vor. Fall b) zeigt Parameterabhängigkeit. Für a) werden die selektiven Schwingungsgrößen für den 1. bzw. 2. harmonischen Anteil im Zeigerspeicher 1 vorzugsweise in Komponentenform (x-, y-Richtung) abgespeichert. In den Bezugswertspeicher 2 wird das arithmetische Mittel der jeweiligen Diagnosegröße übernommen nach den im Wesen genannten Voraussetzungen an die Verteilung der einzelnen Zustände.Im Überwachungsmodul 3 erfolgt der Vergleich von aktuellem und Bezugszustand und der Test auf Verletzung der Grenze GD. Dabei ist GD wiederum empirisch in einer sogenannten Belehrungsphase z.B. als Maximalwert der Vektoren P; P₀ (i = 1, n) festzulegen. Durch das Überwachungsmodul 3 erfolgen dann die Weiterverarbeitung und entsprechende Signalisationen-Für b) ist das Verfahren nach a) unzweckmäßig (siehe großer Kreis in Fig. 2). Mit Hilfe der Zustandsschätzung nach Fig. 3 b können parameterabhängige Bezugs- und Grenzwerte ermittelt werden. Dabei werden zusätzlich zu den selektiven Schwingungszeigern noch die Betriebsparameter im Parameterspeicher 4 erfaßt. Der Regressator 5 stellt in der Belehrungsphase einen mehrdimensionalen Zufallsvektor bereit, mit dem dann ausgehend vom aktuellen Maschinenzustand ein Bezugswert (Oi, O₂... O_n) geschätzt wird, der das in der Belehrungsphase aufgeprägte Verhalten der Turbomaschine widerspiegelt, wenn die Anzahl der Einzelmessungen genügend groß war

Die Weiterverarbeitung im Überwachungsmodul 3 erfolgt dann wie bei a).

Claims

Patentanspruch:

1. Verfahren zur Schwingungsüberwachung rotierender Maschinen durch Meßwerterfassung yoη Wellen- und/oder Lagerschwingungssignalen mittels selektiver Methoden zur Ermittlung der Schwingungszeiger (Betrag und Phasenwinkel), dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zeigerspeicher (1) die zur Drehfrequenz harmonischen Signalanteile, insbesondere die der ersten und zweiten Harmonischen, für verschiedene Zustände abgelegt werden, die einen im normalen Betrieb typischen Schwankungsbereich für die Betriebsparameter überstreichen, in einem Bezugswertspeicher (2) das arithmetische Mittel für jeden Signalanteil abgelegt wird und ein Überwachungsmodul (3) den Differenzwertzeiger zwischen aktuellem Zustand und mittleren Bezugszustand ermittelt, mit dem Normalbereich vergleicht und eventuelle Verletzungen des Normalbereiches signalisiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich zum Zeigerspeicher (2) ein Parameterspeicher (4) gebildet wird, der zum jeweiligen Meßpunkt die zugehörigen Betriebsparameter erfaßt und ein Regressätor (5) eine Funktion zur Vorausbestimmung des Bezugswertes bereitstellt.