Schwingungsmessungen an Biogasmotoren

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Nele Beltz
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1 Schwingungsmessungen an Biogasmotoren Ingenieurbüro Braase Technische Prüfungen Dipl.Ing. Thomas Braase

2 Ingenieurbüro Braase Ingenieurbüro für technische Diagnostik und Schadenserkennung Gründungsjahr 1994 Haupttätigkeitsfelder: Schwingungsmessungen und weitere Diagnosen Kundenfeld: Kraftwerke, Chemiewerke, Raffinerien, Schiffe, Industriebetriebe, Biogasanlagen Hervorgegangen aus dem Bereich der Kraftwerksinbetriebnahme Bereich Schwingungs- und Sondermesstechnik ab 1983

3 Unterschiede zwischen Biogasmotoren zu anderen Maschinen Biogasmotoren Oszillierende Kräfte Rotierende Kräfte Zündkräfte Vielzahl an beweglichen Teilen, die unterschiedliche Bewegungsrichtungen ausführen Art der Verbrennung, Gleichförmigkeit Anregung von Drehschwingungen (Drehschwingungsdämpfer) Komplizierte Massenausgleichssysteme (Ausgleichswellen) sind notwendig. Schadensmechanismus komplizierter Andere Maschinen Pumpen, Verdichter, Turbinen, E-Motoren, Gebläsen, Generatoren Rotierende Kräfte (im wesentlichen) Einfache Massenausgleiche Schadensmechanismus einfacher

4 Schwingungsarten bei Biogasmotoren Im Wesentlichen werden drei Schwingungsarten unterschieden: Biegeschwingungen (Kurbelwelle, Pleuelstangen, Generatorwelle) Werden durch rotierende und oszillierende Kräfte angeregt. Wobei die oszillierenden Kräfte durch Massenkräfte (Kolben und Pleuelstangen) und Zündkräfte angeregt werden. Rotierende Kräfte sind meist die Ursache von Unwuchten. Drehschwingungen = Torsionsschwingungen (Kurbelwelle) Werden vornehmlich durch die oszillierenden Kräfte und Zündkräfte angeregt. Gasschwingungen (Abgassäule)

5 Biegeschwingungen Typisches Beispiel einer Biegeschwingung, ist der Versuch eine Straßenlaterne zum Schwingen zu bringen. Die Straßenlaterne ist einfach gelagert. Eine Kurbelwelle ist mindestens zweifach gelagert. Zwischen den Lagerungen kann sie Biegeschwingungen ausführen. Biegeschwingungen können aber auch an den Pleuelstangen auftreten. Durch die Biegeschwingungen treten Biegespannungen im Material auf. Diese müssen unterhalt der zulässigen Grenzwert bleiben.

Drehschwingungen Drehschwingungen = Torsionsschwingungen Man stellt sich ein Rundgummi vor, welche auf der einen runden Seite auf einer Platte festgeklebt ist.

6 Drehschwingungen Drehschwingungen = Torsionsschwingungen Man stellt sich ein Rundgummi vor, welche auf der einen runden Seite auf einer Platte festgeklebt ist. Wenn man jetzt das Rundgummi auf der freien runden Seite verdreht (torediert) und dann los lässt, wird es je nach Dämpfung eine kurze Zeit sich hin und her verwinden. Hierbei treten Torsionsspannungen im Material auf. Diese müssen unterhalb der zulässigen Grenzwerte bleiben.

7 Resonanzen Ein häufiger Schadensgrund sind unbemerkte Resonanzerscheinungen in der Maschine. Jedes Maschinenteil besitzt eine Eigenfrequenz mit der es frei schwingen kann. Erinnert man sich an die Straßenlaterne, so kann man diese einfach zerstören wenn man sie immer wieder mit einem Stoß aus lenkt in dem Zyklus wie sie frei schwingt. Das freie Ausschwingen ist die Eigenfrequenz. Oberstes Ziel bei einer Maschinenkonstruktion muss daher auch die Vermeidung von Resonanzen sein. Sie entstehen immer dann, wenn die Erregerfrequenzen gleich den Eigenfrequenzen sind. Resonanzen können in kürzester Zeit zu einem totalen Maschinenbruch führen. Wichtig: Selbst wenn die Maschinenkonstruktion Resonanzen im normalen Drehzahlbereich ausschließen kann, so kann es über die Lebenszeit eines Biogasmotors durch Verspannungen, Materialermüdung und Verschleiß zu einer Änderung der Eigenfrequenzen kommen, was dann zu einer Resonanz und damit zu Maschinenbruch führen kann.

8 Schwingungen an Biogasmotoren, Teil 1 Eine der wichtigsten Voraussetzung für einen störungsfreien und kostenoptimierten Betrieb eines Biogasmotors ist die mechanische Belastung möglichst so gering wie möglich zu halten. Der Biogasmotor muss ruhig laufen!!! Das A und O ist eine ordentliche Fundamentierung. Daher Gewicht muss her. Die Ausrichtung zwischen Motor und Generator muss exakt sein. Es dürfen keine Verspannungen, auch nicht zum Grundrahmen, auftreten. Hierdurch werden schädigende Kräfte während des Betriebes des Biogasmotors in diesen eingeleitet. Einzelne Maschinenteile können an ihre Belastungsgrenze kommen. Der Massenausgleich aller rotierenden Teile muss gewährleistet sein. Die in die Kurbelwelle induzierten Drehschwingungen müssen sicher vom Drehschwingungsdämpfer aufgenommen werden können. Ansonsten drohen Drehschwingungsbrüche der Kurbelwelle.

9 Schwingungen an Biogasmotoren, Teil 2 Durch erhöhte Schwingungen können sich Bauteile im Gasmotor lösen bzw. verändern, was wiederrum die Auslösung für einen kommenden Maschinenschaden sein kann. Merke: ein Biogasmotor hat wesentlich mehr bewegliche Teile als z.b. ein Elektromotor, daher reagiert er auch empfindlicher. Die Schwingungsdämpfer müssen funktionieren. Unnötige Anregungen von Drehschwingungen müssen vermieden werden. Die Zündzeitpunkte und Brennstoffmengen müssen optimiert sein. Hier vorhandene Ungleichförmigkeit führt zu einer erhöhten mechanischen Belastung des Gasmotors meist infolge von Torsionsschwingungen. Spannungsfreier Anschluss von Rohrleitungen / anderen Maschinenteilen.

10 Was lässt sich erkennen: Unwuchten Ausricht- und Kupplungsprobleme Dämpfer- und Fundamentprobleme Resonanzprobleme bei der Aufstellung Bestimmte elektrische Fehler beim Generator Unregelmäßigkeiten bei der Zünderregung Erhöhte Drehschwingungen (bei gesonderter Drehschwingungsmessung)

11 Beispiel 1: Vorteil besseres Fundament Gleicher Maschinentyp 200 KW Jeweils gemessen am Motorlager, Kupplungsseitig, vertikal Ca. 200 % erhöhte Schwingungen bei Maschine ohne Betonfundament Spektren Spektrum Langw edel 1Z-V :07:33 - * ohne Betonfundament mit Betonfundament 1Z-V 1Z-V

12 Beispiel 2: Zündung nicht OK Gemessen am B-Lager, Generator Frequenz der Zündkrafterregung Prüfung der Zündeinstellung ergab Unregelmäßigkeit Wahrscheinlich auch Resonanz bei der Generatoraufstellung Die Maschine soll nun ruhiger laufen Spektren Spektrum Barkhagen BY-V :22:21 - Zündtakterregung BY-V

13 Beispiel 3: Schwingungsdämpfer nicht OK Dämpfer / Fundament nicht OK Dämpfer OK Spektren Spektrum Rendsw ühren-02 4Z-li-Fundament :40:50 - * Spektren Spektrum Gettorf-2B 4Z-li-Fundament :34:03 - * Vor Schwingungsdämpfer Vor Schwingungsdämpfer Nach Schwingungsdämpfer Nach Schwingungsdämpfer 4Z-li-Rahmen 4Z-li-Fundament 4Z-li-Rahmen 4Z-li-Fundament

14 Beispiel 4: Ausrichtung Motor - Generator Spektren Spektrum Gettorf-2B AX :18:07 - * Gemessen am A Lager, Generator Ca. 180 % erhöhte Schwingungen vor Ausrichtung Motor - Generator Nach der Ausrichtung Vor der Ausrichtung AX AX

15 Messkonzept zur Schwingungs- u. damit Ausfallreduzierung (1) Es werden Schwingungsmessungen im Bereich des A- und B-Lagers von Gasmotor und Generator durchgeführt. Zusätzlich auch Messungen im Bereich der Schwingungsdämpfer

16 Messkonzept zur Schwingungs- u. damit Ausfallreduzierung (2) Für die richtige Beurteilung der erfassten Schwingungen werden Schwingungskennwerte, Veff, a-spike, s Frequenzanalysen Orbitkurven Zeitverläufe erfasst. Mit der alleinigen Erfassung der Schwingungskennwerte kann keine Schwingungsdiagnose durchgeführt werden. Hierzu ist zwingend die Diagnostik der Frequenzanalysen, Orbitkurven und Zeitfunktionen der Schwingungen notwendig. Vergleichbar mit einfacher Blutdruckmessung und EKG. Also Blutdruck (Schwingungskennwert) kann OK sein, das EKG (Frequenzanalyse) aber nicht.

17 Messkonzept zur Schwingungs- u. damit Ausfallreduzierung (3) Auf Grundlage der durchgeführten Messungen und Diagnosen werden Zustandsbewertungen erstellt für: Motor Generator Aufstellung / Fundament Die richtige Zustandsbewertung (Noten) der Maschinenzustände ist absolut wichtig. Die Maschinenzustände werden in vier Wertigkeiten (Noten) eingeteilt. Hierdurch wird der Betreiber in die Lage versetzt, genau erkennen zu können, in welchen Bereichen Verbesserungen notwendig sind. Es wird u.a. auch nach der härteren DIN beurteilt. (1) Gut (2) Brauchbar (3) Verbesserungswürdig Stufe 1 (4) Verbesserungswürdig Stufe 2 Mit der alleinigen Erfassung der Schwingungskennwerte kann keine Zustandsbewertung durchgeführt werden. Hierzu ist zwingend die Diagnostik der Frequenzanalysen, Orbitkurven und Zeitfunktionen der Schwingungen notwendig. Einfache Schwingungsmessungen zur Zustandsbewertung sind hier nutzlos. Typische Messzyklen in Industriebetrieben / Kraftwerken sind je nach Erfordernis alle 2, 3, 6 oder 12 Monate.

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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