Verbesserung des Maschinenschutzes von Kraftwerksturbosätzen durch analytische Schwingungsüberwachung

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1 Verbesserung des Maschinenschutzes von Kraftwerksturbosätzen durch analytische Schwingungsüberwachung Dr.-Ing. Manfred Weigel SIEMENS Power Generation, Mülheim Kurzfassung Eine verbesserte Zustandsüberwachung der Turbosätze in konventionellen und nuklearen Kraftwerken sowie der Maschinensätze in Wasserkraftwerken erfordert eine umfassendere Ausnutzung des Informationsgehaltes von Schwingungssignalen. Die Berücksichtigung des Phasenwinkels harmonischer Schwingungen erschließt eine Vielzahl von Informationen für die Erkennung und Beurteilung von Änderungen im Schwingungsverhalten der Wellenstränge von Turbosätzen. Anhand von Beispielen wird gezeigt, wie der Maschinenschutz mittels analytischer Schwingungsüberwachungssysteme durch die Nutzung der Phasenwinkelinformationen und der daraus abgeleiteten Differenzzeiger-Überwachung wesentlich verbessert werden kann. 1 Einleitung Es ist inzwischen unstrittig, dass mechanische Schwingungen den Zustand von Maschinen widerspiegeln und Informationen über nahezu jede Schädigung und über nahezu jeden sich anbahnenden Schaden beinhalten. Ob und bis zu welcher Tiefe dieser Informationsumfang ausgeschöpft werden soll, ist sowohl eine finanzielle Frage als auch eine Frage der Instandhaltungs- Strategie, der angestrebten Maschinenverfügbarkeit und der geforderten Anlagensicherheit. Mit breitbandiger Schwingungsmessung, anschließender Signalgleichrichtung und Grenzwertüberwachung kann bei Turbosätzen ein wirksamer Schutz vor einer Vielzahl von größeren Schäden und Folgeschäden erzielt werden. Diese Schutz-Schwingungsüberwachung erfasst jedoch nicht alle Schädigungen und sie liefert nahezu keine Informationen über sich anbahnende Schäden und über die Schadens- und Fehlerursachen. Hierzu sind analytische Verfahren erforderlich, die den Informationsgehalt der mechanischen Schwingungen wesentlich besser erschließen und die in der Lage sind, Schädigungen bis zur Erkennbarkeitsschwelle zu identifizieren, ohne dass die Maschine hierzu abgefahren werden muss. Dies ermöglicht eine wirksame Fehlerfrüherkennung, eine Tiefendiagnose der Maschine und einen nach dem heutigen Stand der Technik höchstmöglichen Maschinenschutz. Derartige 1

2 Verfahren werden allgemein als schwingungsanalytische oder schwingungsdiagnostische Überwachungsverfahren bezeichnet. Wesentliche Informationsträger zur Erfüllung dieser Zielstellung sind die Phasenwinkel und Schwingungszeiger (Betrag und Phase) der harmonischen Schwingungsanteile, insbesondere die Schwingungszeiger der drehfrequenten Schwingungsanteile. Ziel dieses Beitrages ist dies zu verdeutlichen und anhand von Fallbeispielen zu beweisen. 2 Polardarstellung von Schwingungszeigern und der Begriff des Differenzzeigers Von den Kenngrößen harmonischer Schwingungen [ 1 ] werden für die analytische Schwingungsüberwachung und -beurteilung auch heute noch überwiegend nur die Amplituden genutzt. In Trenddarstellungen werden die Schwingungsamplituden, insbesondere der drehfrequenten und zweifachdrehfrequenten Anteile, über der Zeit oder über der Drehzahl aufgetragen. Die Nutzung der Phasenwinkelinformation beschränkt sich meist nur auf das Betriebsauswuchten. Werden bei der Überwachung und Beurteilung der Schwingungen zusätzlich die Phasenwinkel der harmonischen Schwingungsanteile berücksichtigt führt dies zu Darstellungsformen, die als Polardiagramme bezeichnet werden. Außerdem kann eine neue Kenngröße, die Zeigerdifferenz, abgeleitet werden. Diese eröffnet sowohl für den Nennbetrieb als auch für den drehzahlveränderlichen Betrieb der Maschinensätze eine völlig neue Qualität bei der Beurteilung von Änderungen im Schwingungsverhalten und damit eine verbesserte Maschinenüberwachung. Bei der Polardarstellung können die beiden Größen einer harmonischen Schwingung (Betrag und Phase) zum Schwingungszeiger zusammengefasst und deren Änderungen über größere Zeiträume veranschaulicht werden. Wichtige Hinweise zu Schwingungsursachen ergeben sich aus der Form der polaren Änderungsbewegung der Schwingungszeiger, z. B. geradlinige, kreisförmige oder spiralförmige Bewegungen sowie aus dem zeitlichen und betriebsparameterabhängigen Verhalten der Änderungen [ 2 ]. In der komplexen Zahlenebene bzw. in der Polardarstellung lassen sich harmonische Schwingungen mit gleicher Frequenz auf einfache Weise addieren und subtrahieren. Die Subtraktion harmonischer Schwingungen in der komplexen Ebene führt zum Begriff des Differenzzeigers. Dieser hat für die Schwingungsdiagnostik - wie gezeigt werden soll - eine fundamentale Bedeutung, da der Differenzzeiger als einzige Kenngröße die Änderung einer harmonischen Schwingung zwischen zwei Schwingungszuständen eindeutig beschreibt. Er kann nicht direkt gemessen, sondern nur aus zwei Zeigern, dem aktuellen Zeiger und einem Bezugszeiger berechnet werden. Bild 1 verdeutlicht dies. 2

3 Differenz-Kenngrößen - Differenzzeiger imaginäre Achse x i aktueller Zeiger der i-ten Harmonischen x i aktueller Differenz-Zeiger der i-ten Harmonischen Bezugszeiger der i-ten Harmonischen x i0 reelle Achse Bild 1: Der Differenzzeiger(rot) ist der einzige Kennwert, der die Änderung zwischen zwei Schwingungszeigern, dem aktuellem Zeiger (blau) und dem Bezugszeiger (grün) beschreibt. Im Fall von Wellenschwingungen können für die harmonischen Schwingungsanteile in den Polarund Trend-Diagrammen, in einfacher Weise die Runout-Fehler von den Messwerten subtrahiert werden, indem die Zeiger-Differenzen der bei Nenndrehzahl ermittelten Messwerte zu einem Bezugszustand gebildet werden, der bei einer sehr niedrigen Drehzahl gemessen wurde. Durch die Betrachtung von Betrag und Phase der Schwingungen in Form von Schwingungszeigern wird eine feinfühlige und zuverlässige Erkennung und Überwachung von Zustandsänderungen möglich. 3

4 Am Beispiel von Bild 2 wird verdeutlicht, dass bei der skalaren Betrachtung von Schwingungszeigern, wenn also nur der Betrag der Schwingung gemessen und interpretiert wird, Fehler von bis zu 200% auftreten können. Zeiger gleicher Größe und unterschiedlicher Phasenlage führen hierbei immer zum selben Betragswert, obwohl z. B. bei einer Phasendrehung um 180 eine gravierende Änderung um 200% aufgetreten ist. Die diagnostische Bedeutung des Phasenwinkels liegt damit nicht in seinem Absolutwert, sondern in der Möglichkeit den Differenzzeiger zu berechnen, der die eindeutige Änderung zwischen zwei Zuständen repräsentiert. Der Differenzzeiger weist eine hohe Aussagekraft auf und ist für die Diagnose und eine verbesserte Überwachung der Schwingungen von Turbosätzen außerordentlich wichtig und unverzichtbar. Bild 2: Zustandsänderungen, die sich ausschließlich oder überwiegend in einer Phasenverschiebung der Harmonischen äußern, können nur durch eine Messung von Betrag und Phasenwinkel diagnostiziert werden. In den drei dargestellten Fällen führt die Phasendrehung der Zustandszeiger Z 1, Z 2 und Z 3 gegenüber dem Referenzzeiger Z 0 zu Differenzzeigern Z 1, Z 2 und Z 3 von beträchtlicher Größe, die aber bei einer reinen Betragsmessung nicht feststellbar sind. Wird der Differenzzeiger bezogen auf einen vorgewählten Bezugszeiger, d. h. dem Schwingungszeiger zu einem Bezugszeitpunkt, über der Zeit dargestellt, so ergibt dies den Differenzzeiger-Trend. Diese Darstellung spielt eine herausragende Rolle bei der Erkennung von Änderungen im Schwingungsverhalten. 4

5 3 Beispiele für die praktische Bedeutung des Differenzzeigers bei der Erkennung und Überwachung von Änderungen im Schwingungsverhalten von Turbosätzen im Nennbetrieb Zwei Beispiele sollen zeigen, wie die Erkennung und Überwachung von Änderungen der drehfrequenten Anteile von Schwingungen im Nennbetrieb durch die Nutzung der Differenzzeiger wesentlich verbessert werden kann. 3.1 Langsame Änderungen im Schwingungsverhalten Als Ursachen kommen alle Vorgänge infrage, die den Auswuchtzustand des Laufzeuges langsam ändern, z. B. ungleichmäßige korrosiv-erosive Abtragung der Beschaufelung, Salzablagerungen auf den Schaufeln sowie Wicklungsverlagerungen oder Zusammenpressung der Leiterisolation von Induktoren im Laufe der Betriebszeit durch hohe Belastung und Überdrehzahl. Dazu gehören auch Dehnungsbehinderungen, die sich sehr langsam aufbauen und zu Wellenoder Gehäuseverkrümmungen führen. Charakteristisch ist, dass sich sowohl die Amplituden als auch die Phasenwinkel langsam über sehr lange Zeiträume ändern. Aber nur die gemeinsame Betrachtung der Amplituden und Phasenwinkel und Bildung der Differenzzeiger lassen diese langsamen Änderungen erkennen. Die Bilder 3 bis 5 zeigen als Beispiel den Trend der 1n-Anteile der relativen Wellenschwingungen in 4 Messebenen eines 900 MW Turbosatzes über den Zeitraum von 3 Monaten. Außer im Verlauf der blau gezeichneten Messwerte sind langsame Änderungen im Bild 3 nicht zu erkennen. Bild 3: Trenddarstellung der 1n-Anteile der relativen Wellenschwingungen im Bereich der hinteren 4 Messebenen eines 900 MW Turbosatzes (ND2- Generator vorn - Generator hinten - Erreger) über einen Zeitraum von 3 Monaten (unten) sowie Wirkleistung und Erregerstrom (oben). 5

6 Aus den Polardarstellungen der Messwerte im Bild 4 werden dagegen erhebliche Änderungen ersichtlich. Bild 4 rechts oben und unten liefert hierfür die Erklärung. Es ändern sich nämlich im Wesentlichen nur die Phasenwinkel und nicht die Schwingungsamplituden. Durch einen Trick - die Verwendung einer Farbpalette für die Zeitachse - können zeitliche Zusammenhänge in der Polardarstellung sichtbar gemacht werden. Bild 4: Aus der polaren Darstellung der Messwerte von Bild 3 wird erkennbar, wie sich die Schwingungen im beobachteten Zeitraum nach Betrag und Phase verändert haben. Die Zeigeränderungen sind, im Gegensatz zur Trenddarstellung im Bild 3, an den Messstellen deutlich erkennbar. Die Zeigerdifferenz-Trenddarstellung in Bild 5 macht die tatsächlichen Änderungen noch deutlicher sichtbar. Im Beispiel betragen die normalen betriebsparameterabhängigen Schwankungen der drehfrequenten Schwingungsanteile ca. 30 µm (links im Bild 5). Auf der rechten Seite von Bild 5 wird deutlich, dass sich sowohl die mittleren Werte der Schwankungen als auch die Schwankungsbreiten deutlich erhöht haben. Eine Überwachung langsamer Änderungen wird mit der Zeigerdifferenz-Überwachung auf einfache Weise möglich. 6

7 Bild 5: Die Zeigerdifferenz-Trenddarstellung der Schwingungswerte von Bild 3 zeigt die tatsächlichen Änderungen im betrachteten Zeitbereich. 3.2 Sprunghafte Änderungen im Schwingungsverhalten Sprunghafte Änderungen von Amplitude und Phasenwinkel der drehfrequenten Schwingungsanteile sind fast immer ein sicheres Zeichen für eine plötzliche Änderung des Auswuchtzustandes durch Bruch von Läuferteilen - sog. Masseverluste - wie z. B. der Bruch von Laufschaufeln und Deckbändern. Die Spanne der sprunghaften Änderungen des Schwingungszustandes von Turbosätzen ist extrem groß. Sie können einerseits durch Bruch von Läuferteilen so gering sein, dass sie mit der konventioneller Schutz-Schwingungsüberwachung nicht bemerkt werden und andererseits zur totalen Zerstörung des Turbosatzes führen. Im allgemeinen kann am Turbosatz jede Schaufel mit erträglichen Unwuchtwirkungen brechen, mit Ausnahme der letzten Schaufeln der Niederdruckteile. Ein Bruch einer dieser Schaufeln wird zur Überlebensfrage des gesamten Turbosatzes. Jedoch kann auch der Verlust von Läuferteilen mit relativ geringer Unwuchtwirkung bereits zu schwerwiegenden Folgeschäden führen. So kann der Bruch einer kleinen Schaufel die Beschaufelung eines gesamten Durchströmteils schwer beschädigen oder zu deren totaler Zerstörung führen. Für eine breitbandig arbeitende Schutz-Schwingungsüberwachung bedeutet dies, dass eine deutliche Veränderung des Schwingungsverhaltens nur dann hervorgerufen wird, wenn der Masseverlust entsprechend groß ist oder ein guter Auswuchtzustand vorlag. Bei bereits unwuchtigen Rotoren können im Extremfall größere Schäden infolge von Masseverlusten von 200% der ursprünglichen Unwucht auftreten, ohne dass diese bemerkt und gemeldet werden. 7

8 Eine eindeutige Schadenserkennung, selbst bei kleinen Masseverlusten, ermöglicht die frequenzselektive Überwachung von Amplitude und Phasenwinkel der Unwuchtschwingungen. Die tatsächliche Änderung durch den Schaufelschaden entspricht dem Betrag des Differenzzeigers zwischen dem 1n-Schwingungszeiger vor dem Schaden und dem 1n-Schwingungszeiger nach dem Schaden. Ein Beispiel für den Verlauf der Schwingungen bei einem Schaufelschaden an einem 800 MW Turbosatz zeigen die Bilder 6 bis 8 in drei Darstellungsformen. Die erste Darstellungsform in Bild 6 visualisiert die Beträge der 1n-Anteile als Funktion der Zeit. Sie entspricht der normalen Trend- Darstellung und besitzt gegenüber den von Wartenschreibern her gewohnten Darstellungen bereits den Vorteil, dass sie ausschließlich die drehfrequenten Schwingungen und nicht - wie sonst üblich - die Summenschwingungen ausweist. Bild 6: Trend-Darstellung der 1n-Anteile der relativen Wellenschwingungen in y-richtung in allen Turbinen- Messebenen eines 800 MW Turbosatzes bei einem Schaufelschaden. Dennoch ist dies die ungünstigste Darstellungsform. Die erkennbaren Betragsänderungen sind ohne Berücksichtigung der Phasenwinkel rein zufälliger Natur und mit großen Fehlern behaftet. In einigen Messebenen vergrößern sich infolge des Schaufelbruchs die 1n-Schwingungen, in einigen bleiben sie unverändert und in anderen verkleinern sie sich. Die anschaulichste Form für die Erkennung der Änderungen ist die Polartrend-Darstellung in Bild 7. In dieser Darstellungsform fehlt aber die Zeitachse. Dieser Nachteil wird nur teilweise durch den Farbverlauf kompensiert. Die dritte Darstellungsform in Bild 8 ist die Zeigerdifferenz-Trenddarstellung. Hier werden die korrekten Änderungen (Beträge der Differenzzeiger) über der Zeit dargestellt, und zwar bezogen auf einen gewählten Zeitpunkt. 8

9 Bild 7: Polartrend-Darstellung der 1n-Anteile der relativen Wellenschwingungen von Bild 6. Der Farbverlauf von blau nach rot gibt die Richtung der zeitlichen Änderungen an. Bild 8: Zeigerdifferenz-Trenddarstellung der 1n-Anteile der relativen Wellenschwingungen von Bild 6. Sie ist die einzige Darstellungsform, die die zeitlichen Schwingungsänderungen exakt angibt. Wie das Beispiel zeigt ist die Zeigerdifferenz-Überwachung das ideale Werkzeug zur Erkennung sprunghafter Änderungen im Schwingungsverhalten. Außerdem sind die Zeigerdifferenzen außerordentlich nützlich bei der Lokalisierung der Stelle am Wellenstrang wo das Ereignis stattgefunden hat, dass zur sprunghaften Änderung der Schwingungen des Maschinensatzes führte. 9

10 4 Nutzung der Differenzzeiger zum Erkennen und Überwachen des Schwingungsverhaltens im drehzahlveränderlichen Betrieb Die Beurteilung und Überwachung des Maschinenzustandes darf sich nicht nur auf das Verhalten des Turbosatzes im stationären Betrieb beschränken, sondern muss auch die drehzahlveränderlichen Vorgänge einschließen. Viele Zustandsänderungen können beim Hoch- und Auslauf besser und frühzeitiger erkannt werden als im Nennbetrieb. Hierzu gehören z. B. Risse in der Rotorwelle und im Fundament, Lockerungen, Auswucht- und Ausrichtfehler. Die umfassende Dokumentation und Darstellung der An- und Abfahrvorgänge mit paralleler, rotorsynchroner und schneller Datenverfassung an allen relevanten Schwingungsmessstellen ist eine der wichtigsten Aufgaben von schwingungsanalytischen Überwachungssystemen. Die Grundform aller Darstellungen für den drehzahlveränderlichen Betrieb stellt das Bode- Diagramm dar, das den Amplituden- und Phasenverlauf von Drehzahlharmonischen über der Maschinendrehzahl in kartesischen Koordinaten darstellt. Bild 9 zeigt für eine Wellenschwingungsmessstelle eines Generators die Amplitudenverläufe der relativen Wellenschwingungen von 7 Abfahrvorgängen. Bild 9: An einer Messstelle eines Generators ermittelte Amplitudenverläufe der drehfrequenten Anteile der relativen Wellenschwingungen von 7 Abfahrvorgängen. Die Amplitudengänge können unter zusätzlicher Berücksichtigung der Phasengänge zur Ortskurve (Bild 10), häufig auch Nyquist-Diagramm genannt, zusammengefasst werden. Bei dieser Darstellung wird die Amplitude durch den Abstand der Ortskurvenpunkte vom Koordinatenursprung repräsentiert. Der Phasenwinkel gibt die Position dieses Punktes bezogen auf die positive 10

11 x-achse an. Die zugehörige Rotordrehzahl wird am Kurvenzug aufgetragen oder ist mittels Cursor ablesbar. Die Ortskurve bildet die Schwingungen als Zeigergrößen ab und erleichtert das Erkennen von Resonanzen, selbst wenn diese keine ausgeprägten Amplitudenmaxima aufweisen. Bild 10: Ortskurven der drehfrequenten Anteile der 7 Abfahrvorgänge von Bild 9. Die dreidimensionale Darstellung der Ortskurve erhält man, wenn das Polarkoordinaten-System um die z-achse erweitert wird, auf der die Rotordrehzahl aufgetragen ist (Bild 11). Dadurch ergibt sich eine sehr anschauliche Abbildung der An- und Abfahrvorgänge von Turbosätzen, die den Drehzahlbezug deutlich erkennbar werden lässt. Darüber hinaus bietet diese Darstellung die Möglichkeit, An- und Abfahrvorgänge mit drehzahlgesteuerten selektiven Grenzwerten feinfühlig zu vergleichen, zu beurteilen und zu überwachen. Diese Form der Überwachung von An- und Abfahrvorgängen führt zum Begriff der Toleranzschlauchüberwachung, die erstmals in [ 3 ] vorgestellt wurde. Von besonderer Bedeutung sind dabei die Zeiger der 1. bis 3. Drehzahlharmonischen, da durch deren Überwachung u. a. Wellenanrisse [ 4 ] und Unwuchtänderungen diagnostiziert werden können. Mit dem Toleranzschlauch-Verfahren lassen sich Änderungen im rotordynamischen Verhalten gekoppelter Wellenstränge bis an die Erkennbarkeitsschwelle erfassen und visualisieren. 11

12 Bild 11: Dreidimensionale Darstellung der Ortskurven von Bild 10 mit der Drehzahl auf der z-achse. Der gemittelte Abfahrvorgang dient als Bezug zur Überwachung des drehzahlveränderlichen Vorgangs. Die Bilder 12 bis 14 zeigen den Aufbau und die Entstehung des Toleranzschlauches. Aus einer Reihe selektierter An- bzw. Abfahrvorgänge - im Beispiel sind das 7 Abfahrvorgänge - wird im 1. Schritt für jeden Schwingungszeiger jeder Messstelle ein mittlerer An- bzw. Abfahrvorgang berechnet, der das drehzahlveränderliche Normalverhalten des Schwingungszeigers dieser Messstelle repräsentiert. Dieser berechnete Vorgang wird als Bezugsvorgang bezeichnet. Die feinfühlige Überwachung der Schwingungszeiger von An- und Abfahrvorganges auf Änderungen erfolgt im 2. Schritt derart, dass um den Bezugsvorgang ein Toleranzschlauch gelegt wird, der durch veränderliche Grenzwerte definiert ist. Dieser Toleranzschlauch kann dabei nach zwei Verfahren gebildet werden. Für die Überwachung nach Verfahren 1 werden lediglich zwei Grenzwerte manuell vorgegeben (Bilder 12 und Bild 13). Beim ersten Grenzwert handelt es sich um einen Absolutwert (im Beispiel 4 µm). Dieser repräsentiert den Mindestwert zur Erkennung von Änderungen. Der zweite Grenzwert ist ein relativer Grenzwert (im Beispiel 33%), der sich auf den betreffenden Wert des Bezugszustandes bezieht. Der Bezugszustand sollte dabei dem Normalzustand entsprechen. Da sich sein Absolutwert mit der Drehzahl ändert, ist er besonders zur Erkennung von Abweichungen beim Durchfahren von Resonanzen geeignet. Für die Anwendung dieses Verfahrens ist vom Vorteil, dass am Anfang ein einziger An- bzw. Abfahrvorgang ausreichend ist. Die Anwendung des Verfahrens auf der Grundlage eines gemittelten Bezugsvorganges erleichtert aber die Vorgabe von repräsentativen Grenzwerten. 12

13 Bild 12: Dreidimensionale Darstellung der Ortskurven von Bild 11 mit eingezeichneten Grenzwertbereichen für die Überwachung nach Verfahren 1. Die gelben Toleranzkreise mit konstantem Durchmesser repräsentieren den absoluten Grenzwert, die roten Toleranzkreise mit drehzahlabhängigen Durchmessern den relativen Grenzwert. Bild 13: Vollständiger Toleranzschlauch nach Verfahren 1 für die Überwachung des drehfrequenten Schwingungszeiger der gewählten Messstelle bei Abfahrvorgängen. 13

14 Beim zweiten Verfahren erfolgt die Ableitung der Grenzwerte aus dem Schwankungsbereich der Verläufe mehrerer An- bzw. Abfahrvorgänge. Hierzu werden im Rahmen einer Belehrungsphase mehrere An- und Abfahrvorgänge erfasst und ein gemittelter Bezugsvorgang sowie die maximalen Schwankungsbreiten berechnet. Das Ergebnis ist dann ein individuell angepasster Verlauf des Toleranzschlauchs (Bild 14). Bild 14: Toleranzschlauch nach Verfahren 2. Die Toleranzkreise sind entsprechend dem gelernten Schwankungsverhalten der drehfrequenten Schwingungszeiger an der gewählten Messstelle beim Abfahrvorgang mit der Drehzahl stetig veränderlich. Die Überwachung von An- und Abfahrvorgängen kann online, d. h. während der Messwerterfassung oder offline mit abgespeicherten Daten erfolgen. Werden beim Vergleich des aktuellen drehzahlveränderlichen Vorgangs mit dem Bezugsvorgang signifikante Abweichungen (Grenzwertverletzungen) festgestellt, wie das z. B. in den Bildern 15 und 16 der Fall ist, dann kann dies zu einer entsprechenden automatischen Aktion des schwingungsanalytischen Überwachungssystems genutzt werden. 14

15 Bild 15: Aus den 7 Abfahrvorgängen von Bild 11 gemittelter Bezugsvorgang (grün) mit ausgedünntem Toleranzschlauch nach Verfahren 1. Der aktuelle Abfahrvorgang (blau) weicht im Drehzahlbereich der beiden Resonanzstellen deutlich vom Bezugsvorgang ab und führt zu Grenzwertverletzungen. Bild 16: Vollständiger Toleranzschlauch nach Verfahren 1 entsprechend Bild 13 und Abfahrvorgang mit Grenzwertverletzungen von Bild 15. Eine weitere aus dem Toleranzschlauch abgeleitete Darstellungsform zeigen die Bilder 17 und 18. Hier entspricht der Bezugsvorgang dem Amplitudenwert Null, d.h. der Bezugsvorgang ist genullt und es werden nur die Beträge der Differenzzeiger zwischen dem jeweiligen Bezugswert- 15

16 zeiger und dem aktuellen Zeiger über der Drehzahl aufgetragen. Im Bild 17 sind zusätzlich der absolute und der relative Grenzwert und im Bild 18 der gelernte drehzahlveränderliche Grenzwert eingezeichnet. Diese Differenzzeiger-Darstellung über der Drehzahl verdeutlicht die Abweichungen zwischen zwei drehzahlveränderlichen Vorgängen in besonders anschaulicher Weise. Bild 17: Verlauf des Betrages des drehfrequenten Differenzzeigers als Funktion der Drehzahl (blau) im Vergleich zum absoluten Grenzwert von 4 µm (gelb) und dem relativen Grenzwert von 33% (rot) entsprechend Verfahren 1. Bild 18: Verlauf des Betrages des drehfrequenten Differenzzeigers als Funktion der Drehzahl (blau) im Vergleich mit dem drehzahlveränderlichen Grenzwert (rot) entsprechend Verfahren 2. 16

17 Bild 19 zeigt die Vielgestaltigkeit der Toleranzschläuche mit absoluten und relativen Grenzwerten (Verfahren 1) am Beispiel des Verhaltens der drehfrequenten Schwingungszeiger der relativen Wellenschwingungen an den 4 Messstellen eines Generators. Die erhöhte thermische Unwucht wird beim Durchfahren der kritischen Drehzahlen deutlich. Die Verläufe der Differenzzeiger liegen nicht mehr im Toleranzschlauch für das aus 7 Abfahrvorgängen gelernte Normalverhalten. Die thermische Unwucht war beim betriebsparameterabhängigem, d.h. erregerstromabhängigen Normalverhalten im Nennbetrieb praktisch nicht erkennbar. Bild 19: Toleranzschläuche der drehfrequenten Schwingungszeiger der 4 Wellenschwingungsmessstellen eines Generators mit Grenzwertverletzung beim Abfahrvorgang durch erhöhte thermische Unwucht. Oben: Messstellen Erregerseite; Unten: Messstellen Turbinenseite Links: x-messrichtung; Rechts: y-messrichtung 17

18 5 Literatur [ 1 ] DIN : Schwingungen und schwingungsfähige Systeme. Teil 1: Grundbegriffe, Einteilung. [ 2 ] Olsen, U.; Weigel, M.: Grundlagen der Schwingungsanalyse und der Schwingungsdiagnose an Kraftwerksturbosätzen. Seminarbuch Teil 2, September [ 3 ] Weigel, M.: Neue Verfahren zur Erkennung und Überwachung von Änderungen im Schwingungsverhalten von Turbosätzen. SIRM 2001, Wien, 26. bis 28. Februar Tagungsband: Vieweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, [ 4 ] Gasch, R.; Menz, Ingo.: Grundlagen der Rotordynamik und der Orbit-Kinematik. In.: Tagungsband: Symposium zur schwingungsdiagnostischen Überwachung von Kraftwerksturbosätzen, Potsdam, März