Beschreibung

Verfahren zum Testen von Rotoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von Rotoren, wobei ein zu testender Rotor mit einem Aktivierungsmotor drehmomentübertragend gekoppelt, in Drehung versetzt wird und Schwingungen des Rotors gemessen werden. Die Erfindung be- trifft des Weiteren einen Aktivierungsmotor zur Verwendung in einer Messanordnung zur Messung von Schwingungen eines drehbar gelagerten Rotors.

Eine Dampfturbine als Ausführungsform einer Strömungsmaschine wird üblicherweise mit 50 Hz betrieben, wenn diese Dampfturbine für das europäische elektrische Energieversorgungsnetz vorgesehen ist, oder mit 60 Hz, wenn diese Dampfturbine für das US-amerikanische elektrische Energieversorgungsnetz vorgesehen ist. Wenn solche eine Dampfturbine zudem an einen vierpoligen Generator angekoppelt wird, liegen die im Betrieb auftretenden Drehzahlen bei 25 Hz in Bezug auf das europäische elektrische Energieversorgungsnetz oder bei 30 Hz in Bezug auf das US-amerikanische elektrische Energieversorgungsnetz .

Im Betrieb können Rotoren in Strömungsmaschinen Schwingungsanregungen erfahren, die zu Schwingungen führen können, die schließlich zu einem Versagen des Rotors oder der Schaufeln und damit der Strömungsmaschine führt. Unter der Sammelbe- Zeichnung Strömungsmaschine werden Wasserturbinen, Dampf- und Gasturbinen, Windräder, Kreiselpumpen und Kreiselverdichter sowie Propeller zusammengefasst . Allen diesen Maschinen ist gemeinsam das sie dem Zweck dienen, einem Fluid Energie zu entziehen, um damit eine andere Maschine anzutreiben oder um- gekehrt einem Fluid Energie zuzuführen, um dessen Druck zu erhöhen .

Rotoren von Dampfturbinen, insbesondere Rotoren mit Schaufeln oder Schaufelkränzen können im Betrieb bei bestimmten Drehzahlen zu Torsionsschwingungen angeregt werden. Die Schwingungen sind unerwünscht und treten häufig bei so genannten torsionskritischen Drehzahlen auf. Oft bilden die Schaufeln oder Schaufelkränze erst durch im Betrieb auftretende Zentrifugalkräfte einen Verbund. Die experimentelle Bestimmung der torsionskritischen Drehzahlen ist während der Produktentwicklung oder während der Fertigung schwierig. Das bedeutet, dass die Auslegung solcher Rotoren in Bezug auf torsionskritische Eigenfrequenzen mit großen Unsicherheiten erfolgt. Wenn die Dampfturbine bestimmungsgemäß beispielsweise in einem Generator und/oder einer Gasturbine gekoppelt ist und somit einen Gesamtstrang bildet, kann eine Messung der Schwingungen er- folgen.

Bevor ein Rotor in einer Strömungsmaschine bestimmungsgemäß eingebaut und anschließend in Betrieb genommen wird, sind i. d. R. Testläufe des Rotors in einem so genannten Wuchtbunker erforderlich, um zu testen, ob der Rotor den gewünschten Qualitätsanforderungen entspricht. Dazu wird der Rotor in dem Wuchtbunker drehgelagert angeordnet und über einen Aktivierungsmotor in Drehung versetzt. Mit Messsensoren werden die Schwingungen des Rotors ermittelt und die dabei aufgenommenen Messdaten gespeichert und ausgewertet. Erst wenn der Rotor bestimmten Drehzahlen und Beschleunigungskräften Stand hält, kann dieser zur Auslieferung freigegeben werden.

Bei komplexen rotationssymmetrischen Systemen tauchen natur- gemäß torsionskritische Eigenfrequenzen auf. Sofern ein Rotor mit einer Anregungsfrequenz betrieben wird, die nahe bei der Eigenfrequenz liegt, kann es zu Schädigungen des Rotors, der Schaufeln bzw. der Dampfturbine kommen.

Oft stellt sich erst während des bestimmungsgemäßen Betriebes heraus, dass ein Rotorsystem Schwingungen bei torsionskritischen Drehzahlen aufweist, die zu einer Schädigung führen könnten .

Wünschenswert wäre es, wenn ein Verfahren zum Testen von Rotoren zur Verfügung stünde, mit dem torsionskritische Drehzahlen simuliert werden können.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, dessen Aufgabe es ist, ein Verfahren zum Testen von Rotoren anzugeben, mit dem es möglich ist, Schwingungen eines Rotors zu messen, die im Betrieb auftreten.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es einen Aktivierungsmotor anzugeben, der in einer Messanordnung verwendet werden kann, mit der das Schwingungsverhalten eines Rotors gemessen werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Testen von Rotoren, wobei ein zu testender Rotor mit einem Aktivierungsmotor drehmomentübertragend gekoppelt, in Drehung versetzt und Schwingungen des Rotors gemessen werden, wobei der Akti- vierungsmotor derart betrieben wird, dass Torsionsanregungen im Rotor erzeugt werden.

Die Erfindung geht von dem Aspekt aus, dass Schwingungen des Rotors bei torsionskritischen Drehzahlen ermittelt werden können, wenn der Rotor über einen Aktivierungsmotor derart betrieben wird, dass Torsionsanregungen erzeugt werden. Dafür wird der Rotor inklusive eines Aktivierungsmotors mit zeitlich konstanten Drehzahlen in Drehung versetzt und die Schwingung des Rotors über Messaufnehmer gemessen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten .

Die auf den Aktivierungsmotor hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch einen Aktivierungsmotor zur Verwendung in einer Messanordnung zur Messung eines drehbar gelagerten Rotors, wobei der Aktivierungsmotor derart ausgebildet ist, dass das vom Aktivierungsmotor übertragbare Drehmoment einen zeitlich

konstanten Anteil und einen zeitlich veränderlichen Anteil aufweist .

Vorteilhaft für das Verfahren ist es, wenn die Torsionsanre- gungen dadurch erzeugt werden, dass das vom Aktivierungsmotor auf den Rotor übertragene Drehmoment neben einem zeitlich konstanten Anteil einen zeitlich veränderlichen Anteil hat. Dies hat den Vorteil, dass Torsionsanregungen simuliert werden können, die im bestimmungsgemaßen Betrieb auftauchen bzw. erwartet werden können.

Vorteilhaft ist es, wenn die zeitlich veränderlichen Anteile durch eine harmonische Funktion beschreiben werden können. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass harmonische Funktio- nen erfahrungsgemäß zu schädigenden Anregungsfrequenzen fuhren, die im Betrieb auftreten können.

Das Drehmoment, das auf den Rotor vom Aktivierungsmotor übertragen wird, wird durch folgende Gleichung beschrieben: M(t) = M ₀ + M _A x sin (ω(t) x t) .

Als vorteilhaft erweist es sich, wenn bei einer festen Rotordrehzahl die Frequenz ω(t) von einem Startwert zu einem Zielwert verändert wird, wobei die Amplitude M _A konstant bleibt. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Amplitude verändert wird und die Frequenz ω(t) erneut von einem Startwert zu einem Zielwert verändert wird. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Anderungsgeschwindigkeit der Frequenz vom Startwert zum Zielwert verändert werden kann.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:

Figur 1 eine schematisierte Darstellung einer Messanordnung von integriertem Antriebs- und Aktivierungsmotor,

Figur 2 eine schematisierte Darstellung einer Messanordnung mit einem separaten Antriebs- und Aktivierungsmotor,

Figur 3 Darstellung von drei harmonischen Anregungsfunktionen des Aktivierungsmotors.

In der Figur 1 und in Figur 2 sind in schematischer Weise ein Rotor 1 einer Stromungsmaschine dargestellt. Die Stromungsmaschine kann eine Hochdruck-, Mittel- oder Niederdruck-Dampfturbine oder eine Gasturbine sein. Der Rotor 1 ist um eine Rotationsachse 2 drehbar gelagert und auf Lagern 3 abgelegt. Der Rotor 1 kann mit oder ohne Laufschaufeln auf den Lagern 3 abgesetzt werden.

über eine Kupplung 4 wird der Rotor 1 drehmomentubertragend mit einem Aktivierungsmotor 5 gekoppelt. Der Aktivierungsmo- tor 5 kann als elektrischer Servomotor ausgebildet sein.

In der Ausfuhrung Figur 1 ist der Aktivierungsmotor 5 zur Erzeugung der Torsionsanregung und der Antriebsmotor 17 zur Drehung des Rotors 1 integriert.

Alternativ kann der Antriebsmotor 17 vom Aktivierungsmotor 5 separiert werden, so dass die Drehung des Rotors 1 und des Aktivierungsmotors 5 durch den als Drehmotor ausgebildeten Antriebsmotor 17 erfolgt. Hierzu wird der Drehmotor drehmo- mentstarr aber torsionsweich entkoppelt mit dem Rotor 1 verbunden. Figur 2 zeigt den schematischen Aufbau.

Schwingungen des Rotors und der Schaufeln werden über Messaufnehmer 6 erfasst und über Datenleitungen 7 an eine Steuer- und Auswerteeinheit 8 weitergeleitet.

Die Anregungsfrequenz und die Drehzahl des Aktivierungsmotors 5 kann über die Steuer- und Auswerteeinheit 8 und über die

Steuerleitung 9 getrennt gesteuert werden. Die Kupplung 4, der Rotor 1, die Lager 3 und der Aktivierungsmotor 5 werden üblicherweise in einem Wuchtbunker 10 angeordnet. Der Innenraum des Wuchtbunkers 10 wird mit Vakuumpumpen derart ausge- pumpt, dass vakuumähnliche Bedingungen im Innenraum des Wuchtbunkers 10 herrschen.

Im Testverfahren wird der zu testende Rotor 1 mit dem Aktivierungsmotor 5 drehmomentübertragend gekoppelt und durch den Aktivierungsmotor 5 oder alternativ durch den Antriebsmotor 11 in Drehung versetzt. Die Schwingungen des Rotors 1 bzw. der am Rotor 1 angeordneten Schaufeln werden über die Schwingungsmesser 6 gemessen. Der Aktivierungsmotor 5 wird dabei derart betrieben, dass Torsionsanregungen im Rotor 1 erzeugt werden. Die Torsionsanregungen werden dadurch erzeugt, dass das vom Aktivierungsmotor 5 auf den Rotor 1 übertragende Drehmoment neben einem zeitlich konstanten Anteil einen zeitlich veränderlichen Anteil hat.

Der zeitlich veränderliche Anteil wird hierbei als eine harmonische Funktion gewählt. Neben einer Frequenz weist der zeitlich veränderliche Anteil eine Amplitude auf. Mit Hilfe des Aktivierungsmotors 5 ist es möglich, Torsionsanregungen in der entsprechenden Höhe und in der geforderten Dynamik zu erzeugen, so dass der Rotor 1 und die Schaufeln messbare Schwingungen durchführen.

Der Aktivierungsmotor 5 überträgt ein Drehmoment auf den Rotor 1 gemäß folgender Gleichung: M(t) = M ₀ + M _A x sin (ω(t) x t) .

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Frequenz ω (t) bei einer festen Rotordrehzahl von einem Start-Wert zu einem Ziel-Wert verändert wird, wobei die Amplitude M _A konstant bleibt.

In der Figur 3 sind beispielhaft drei Verläufe der Drehzahl des Aktivierungsmotors über der Zeit dargestellt. Auf der X-

Achse 11 ist die Zeit aufgetragen und auf der Y-Achse 12 ist der veränderliche Teil des auf den Rotor 1 übertragenden Drehmomentes dargestellt. Im störfreien Betrieb ist kein zeitlich veränderlicher Anteil des Drehmomentes auszumachen. Erst im Betrieb treten üblicherweise harmonische Schwingungen als zeitlich veränderlicher Anteil auf. Solch harmonische Schwingungen 14, 15, 16 sind meistens Sinus- oder Kosinusfunktionen. Vorteilhaft ist es ebenso, wenn bei dem zeitlich veränderlichen Anteil die Amplitude M _A verändert wird und die Frequenz ω(t) erneut von einem Start-Wert zu einem Ziel-Wert verändert wird.

Der Aktivierungsmotor 5 ist derart ausgebildet, dass das vom Aktivierungsmotor 5 übertragbare Drehmoment einen zeitlich konstanten Anteil und einen zeitlich veränderlichen Anteil aufweist. Der zeitlich veränderliche Anteil kann eine harmonische Funktion sein. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich die Amplituden und Frequenzen für große und kleine Rotoren 1 einfach in einem weiten Bereich zu steuern. Zur Qualitätssicherung wird in der Steuer- und Auswerteeinheit 8 die gemessenen Schwingungen und Drehzahlen protokolliert und ausgewertet.