DE102014100126B4 - Method for determining an imbalance of a rotor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Unwucht eines Rotors (R) mit bekanntem Trägheitsmoment mit einer Drehachse unparallel zu einem Schwerefeld und/oder einem Auftriebsfeld mit folgenden Schritten: a) Festlegung von u > 2 über den Umfang des Rotors (R) verteilten Messpunkten (Si, i = 1 ... u) und Bereitstellen von Mitteln zur Erfassung der Position der Messpunkte (Si) in Abhängigkeit von der Zeit t; b) Rotieren des Rotors (R) und Messen des Drehwinkels (φ) sowie der Winkelgeschwindigkeit (ω) des Rotors (1) bei einem nicht oder nicht fest eingekoppelten Antriebsmoment und berechnen der ortsabhängigen Winkelbeschleunigung (ω ) als Funktion des Drehwinkels (φ) in einem Bereich zwischen zwei aufeinander folgenden Messpunkten (Su–Si für i = 1; Si-1–Si für i = 2 ... u); c) Transformation der Winkelbeschleunigung (ω ) als Funktion des Drehwinkels (φ) in einen Bildraum; d) Bestimmung der komplexen Amplitude (A1) als Intensität der unwuchtbedingten Winkelbeschleunigung im Bildraum der transformierten Funktion; e) Auswertung der komplexen Amplitude (A1) zur Bestimmung des Winkels (φu) einer statischen Unwucht (m × r), wobei r der Abstand der Unwuchtmasse (m) von der Drehachse (D) des Rotors (R) ist.Method for determining an imbalance of a rotor (R) with known moment of inertia with a rotation axis unparallel to a gravitational field and / or a buoyancy field with the following steps: a) Definition of measurement points distributed over the circumference of the rotor (R) of u> 2 (Si, i = 1 ... u) and providing means for detecting the position of the measuring points (Si) as a function of the time t; b) rotating the rotor (R) and measuring the angle of rotation (φ) and the angular velocity (ω) of the rotor (1) at a non or not firmly coupled drive torque and calculate the location-dependent angular acceleration (ω) as a function of the rotation angle (φ) in a range between two consecutive measurement points (Su-Si for i = 1, Si-1-Si for i = 2 ... u); c) transformation of the angular acceleration (ω) as a function of the angle of rotation (φ) in an image space; d) determining the complex amplitude (A1) as the intensity of the unbalanced angular acceleration in the image space of the transformed function; e) Evaluation of the complex amplitude (A1) for determining the angle (φu) of a static unbalance (m × r), where r is the distance of the imbalance mass (m) from the axis of rotation (D) of the rotor (R).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Unwucht eines Rotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. The invention relates to a method for determining an imbalance of a rotor having the features of patent claim 1.

Rotatorische Bewegungen können bei einer Unwucht zu unerwünschten drehzahlabhängigen Anregungen führen. Umlaufende, unwuchtinduzierte Fliehkräfte können z. B. zu vorzeitigen Lagerschäden, Versagen der Aufhängung und Lagerträger, Übertragungen auf Nachbarmaschinen und störenden Geräuschen führen. Selbst das Durchbiegen und Versagen des Rotors ist möglich.Rotatory movements can lead to unwanted speed-dependent suggestions in case of imbalance. All-round, unbalance-induced centrifugal forces can z. B. lead to premature bearing damage, failure of the suspension and bearing carrier, transmissions on neighboring machines and disturbing noises. Even the bending and failure of the rotor is possible.

Eine Unwucht setzt sich aus einer statischen Unwucht und einer rein dynamischen Unwucht bzw. Momentenunwucht zusammen. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der statischen Unwucht eines Rotors, dessen Drehachse unparallel zu einem Schwerefeld oder Auftriebsfeld angeordnet ist. Das Schwerefeld ist insbesondere das Gravitationsfeld der Erde. Der Rotor besitzt eine unparallel zu diesem Schwerefeld, insbesondere senkrecht zum Schwerefeld stehende Drehachse. Die Drehachse ist insbesondere horizontal orientiert.An unbalance is composed of a static imbalance and a purely dynamic unbalance or moment unbalance. The present invention is concerned with the static imbalance of a rotor whose axis of rotation is arranged unparallel to a gravitational field or buoyancy field. The gravitational field is in particular the gravitational field of the earth. The rotor has an axis of rotation which is not parallel to this gravitational field, in particular perpendicular to the gravitational field. The axis of rotation is oriented in particular horizontally.

Es gibt unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung des Wuchtzustandes eines Rotors. Nicht alle Verfahren sind mit vertretbarem Aufwand in-situ anwendbar, sondern oftmals nur bei einer speziellen Lagerung des Rotors auf einer Wuchtbank. Große Rotoren, die nicht mit vertretbarem Aufwand auf eine Wuchtbank gebracht werden können oder für die kein Antrieb zur Verfügung steht, können nur in-situ gewuchtet werden. Gleiches gilt für Läufer von Strömungsmaschinen (Flugtriebwerke, Lüfter etc.), bei denen die Antriebsleistung der Wuchtbank nur in einer evakuierten Umgebung ausreicht, um die Läufer auf eine geeignete Drehzahl zu bringen. There are different methods for determining the balancing state of a rotor. Not all methods can be applied in situ with reasonable effort, but often only with a special bearing of the rotor on a balancing bench. Large rotors, which can not be brought to a balancing bank with reasonable effort or for which no drive is available, can only be balanced in-situ. The same applies to runners of turbomachines (aircraft engines, fans, etc.), in which the drive power of the balancing bank is sufficient only in an evacuated environment to bring the runners to a suitable speed.

Im Unterschied zur Wuchtbank ist die direkte Messung der durch die Unwucht verursachten Kräfte vor Ort in der Regel nicht möglich, weshalb beim konventionellen Betriebswuchten über die vor Ort gemessen Schwingungen die Kräfte bestimmt werden. Aus der Schwingungsamplitude und dem Phasenwinkel relativ zu einer Marke auf dem Rotor wird die Unwucht bestimmt. Vorzugsweise werden Beschleunigungen am Lagergehäuse oder Schwingwege zwischen Lager und Welle dazu gemessen. Da die Übertragungsfunktion von Kraft in Schwingungen in der Regel nicht bekannt ist, wird diese meistens durch das Setzen einer definierten Testmasse an einem definierten Ort auf dem Rotor und die damit verbundenen Änderungen der Schwingungen bestimmt.In contrast to the balancing bank, the direct measurement of the forces caused by the imbalance on site is generally not possible, which is why the forces are determined in the conventional balancing operation via the vibrations measured on site. From the oscillation amplitude and the phase angle relative to a mark on the rotor, the imbalance is determined. Preferably, accelerations on the bearing housing or vibration paths between the bearing and shaft are measured. Since the transfer function of force into vibrations is generally not known, this is usually determined by setting a defined test mass at a defined location on the rotor and the associated changes in the vibrations.

Beim konventionellen Betriebswuchten sind die Rotoren oft nur in Nenndrehzahl zu betreiben oder es müssen Drehzahlen nahe von Resonanzfrequenzen angefahren werden, um Schwingungsmessungen durchzuführen. Oftmals fehlt für große Rotoren ein zum konventionellen Betriebswuchten geeigneter Antrieb, der den Rotor auf eine für das konventionelle Wuchten geeignete konstante Drehzahl bringen kann. Auch bei Rotoren, die keine Antriebsmaschine haben und z. B. durch Strömungen angetrieben werden müssen, wie beispielsweise Wasserturbinen, Windturbinen und Flügelräder in Durchflussmessern, ist ein Auswuchten erforderlich. Flügelräder in Durchflussmessern benötigen eine hohe Wuchtgüte, um ein niedriges Anlaufmoment und damit eine niedrige messbare Mindestdurchflussmenge zu erreichen.In conventional balancing the rotors are often operated only at rated speed or it must be approached speeds close to resonance frequencies to perform vibration measurements. Often, large rotors lack a conventional conventional balancing drive that can bring the rotor to a constant speed suitable for conventional balancing. Even with rotors that have no prime mover and z. B. must be driven by currents, such as water turbines, wind turbines and impellers in flow meters, a balancing is required. Impellers in flowmeters require a high balancing quality to achieve a low starting torque and thus a low measurable minimum flow rate.

Je größer der Aufwand für das Wuchten ist, desto größer ist die Unverfügbarkeit der Anlage. Insbesondere bei Windenergieanlagen treten ausreichend große Schwingungen nur bei entsprechenden Drehzahlen und den dafür nötigen Windverhältnissen auf. Zu diesen Zeiten ist anderseits der Produktionsausfall durch das Wuchten hoch und die Zugänglichkeit z.B. bei Offshoreanlagen möglicherweise eingeschränkt. Außerdem ist das Setzen von Testgewichten hier sehr aufwändig. Ein mögliches Verfahren zur Bestimmung der Unwucht einer Windkraftanlage wird in der US 2008/0247873 A1 beschrieben. Es wird die Geschwindigkeit des Rotors gemessen und mittels Fourier-Transformation die Schwingungsamplitude der Rotorgeschwindigkeit bei der der Rotordrehung entsprechenden Frequenz (1p-Frequenz) ermittelt. The greater the effort required for balancing, the greater the unavailability of the system. In particular, in wind turbines occur sufficiently large vibrations only at appropriate speeds and the necessary wind conditions. At these times, on the other hand, the loss of production due to balancing is high and accessibility, for example, in offshore installations may be limited. In addition, the setting of test weights here is very complex. A possible method for determining the imbalance of a wind turbine is in the US 2008/0247873 A1 described. The speed of the rotor is measured and the vibration amplitude of the rotor speed at the rotor rotation corresponding frequency (1p frequency) is determined by Fourier transformation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Unwucht eines rotierenden Rotors aufzuzeigen, das in-situ, d. h. ohne Wuchtbank, vor Ort anwendbar ist und das bei geringen Drehzahlen mit geringem Aufwand für Mess- und Antriebstechnik durchführbar ist.The invention has for its object to provide a method for determining the imbalance of a rotating rotor, which in-situ, d. H. without balancing bank, is applicable on site and which can be carried out at low speeds with little effort for measuring and drive technology.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The invention solves this problem by a method having the features of patent claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous developments of the method are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Messung von Winkelgeschwindigkeitsschwankungen am rotierenden Rotor hervorgerufen durch das umlaufende Drehmoment. Dabei wird bei im Mittel über eine Umdrehung konstanter oder transienter Drehzahl gemessen und eine Zerlegung durchgeführt in jene Anteile, die durch die Unwucht erzeugt werden, und andererseits in jene Anteile, die auf andere Ursachen zurückzuführen sind. The inventive method is based on the measurement of angular velocity fluctuations on the rotating rotor caused by the rotating torque. It is measured at average over a revolution of constant or transient speed and a decomposition carried out in those shares, which are generated by the imbalance, and on the other hand in those shares, which are due to other causes.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt voraus, dass das Trägheitsmoment des zu untersuchenden Rotors bekannt ist. Sollte das Trägheitsmoment nicht bekannt sein, kann es z. B. relativ einfach mit der Methode eines Zusatzgewichtes bestimmt werden. Die Methode der Bestimmung des Trägheitsmomentes mittels Zusatzgewicht ist als solche Stand der Technik und kann dem eigentlichen erfinderischen Verfahren vorgeschaltet sein. Es wird daher davon ausgegangen, dass das Trägheitsmoment durch vorgegebene Daten oder durch Bestimmung der Daten generell bekannt ist.The inventive method requires that the moment of inertia of the rotor to be examined is known. If the moment of inertia is not known, it may, for. B. be determined relatively easily with the method of an additional weight. The method of determining the moment of inertia by means of additional weight is as such state of the art and may be upstream of the actual inventive method. It is therefore assumed that the moment of inertia is generally known by given data or by determining the data.

Das Verfahren bezieht sich ausschließlich auf Rotoren innerhalb eines Schwerefelds mit oder ohne überlagertem Auftriebsfeld, zu dem die Drehachse unparallel ist und das auf die Masse des Rotors wirkt. Insbesondere handelt es sich um Rotoren mit horizontaler Drehachse im Schwerefeld der Erde. Ein Auftriebsfeld kann in diesem Zusammenhang durch Rotoren mit einer geringeren Dichte als ihr Arbeitsmedium gegeben sein. Sollte die Drehachse nicht senkrecht zum Schwerefeld stehen, sondern in einem Winkel kleiner 90°, ist das Verfahren ebenfalls anwendbar, allerdings unter Berücksichtigung des konkreten Neigewinkels gegenüber der Senkrechten zum Schwerefeld bzw. Auftriebsfeld.The method applies exclusively to rotors within a gravitational field with or without superimposed lift field, to which the axis of rotation is unparallel and which acts on the mass of the rotor. In particular, there are rotors with a horizontal axis of rotation in the gravitational field of the earth. A buoyancy field may in this context be given by rotors with a lower density than their working medium. If the axis of rotation is not perpendicular to the gravitational field, but at an angle smaller than 90 °, the method is also applicable, but taking into account the specific inclination angle with respect to the perpendicular to the gravitational field or buoyancy field.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Messung von sich ändernden Winkelgeschwindigkeiten von nicht starr gekoppelten Rotoren. Ist am Rotor keine hinreichend genaue Drehwinkelmessung installiert, so sind in einem ersten Schritt mindestens drei über den Umfang des Rotors verteilt angeordnete Messpunkte festzulegen und/oder Markierungen anzubringen. Je mehr Messpunkte über den Umfang verteilt angeordnet werden, desto größer ist die Genauigkeit des Verfahrens. Da in Abhängigkeit von der Anzahl der Messpunkte mehrere Messwerte pro Umdrehung erfasst werden müssen, muss die Auflösung der verwendeten Mittel zur Erfassung der Position der Messpunkte entsprechend hoch sein. Je höher die Drehzahl bei der Messung ist, desto höher muss auch die Auflösung sein. Mehr Messwerte je Umdrehung und eine kleinere mittlere Drehzahl erhöhen die Genauigkeit des Verfahrens.The inventive method is based on the measurement of changing angular velocities of non-rigidly coupled rotors. If a sufficiently accurate angle of rotation measurement is not installed on the rotor, then in a first step at least three measuring points distributed over the circumference of the rotor are to be defined and / or markings are to be provided. The more measuring points distributed over the circumference, the greater the accuracy of the method. Since several measured values per revolution must be recorded depending on the number of measuring points, the resolution of the means used for detecting the position of the measuring points must be correspondingly high. The higher the speed of the measurement, the higher the resolution must be. More readings per revolution and a lower average speed increase the accuracy of the process.

Für die eigentliche Messung muss der Rotor rotieren. Dabei wird der Drehwinkel φ gemessen sowie die Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors. Die Mittel zur Erfassung der Position der Messpunkte können Lichtschranken, Reflektionslichtschranken, induktive und kapazitive Geber, auf Wirbelstrom basierende Geber, Inkrementalgeber, Quadraturencoder oder alle Arten von bildgebenden Verfahren sein. Aus den Messwerten wird die Winkelgeschwindigkeit ω berechnet oder auch direkt gemessen. Aus der erfassten Winkelgeschwindigkeit ω kann dann drehwinkelabhängig die Winkelbeschleunigung ω  als Funktion des Drehwinkels φ in einem Bereich zwischen zwei aufeinander folgenden Messpunkten berechnet werden. Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Bestimmung der Winkelbeschleunigung als Funktion des Drehwinkels und nicht als Funktion der Zeit. For the actual measurement, the rotor has to rotate. In this case, the rotation angle φ is measured and the angular velocity ω of the rotor. The means for detecting the position of the measuring points can be light barriers, reflection light barriers, inductive and capacitive encoders, eddy current based encoders, incremental encoders, quadrature encoders or all types of imaging methods. The angular velocity ω is calculated from the measured values or measured directly. From the detected angular velocity ω, the angular acceleration ω  can then be calculated as a function of the angle of rotation φ in a region between two successive measuring points, depending on the angle of rotation. Important in this context is the determination of the angular acceleration as a function of the angle of rotation and not as a function of time.

Für nicht starr gekoppelte Rotoren basiert die Erfindung auf der Messung von Drehwinkelgeschwindigkeitsschwankungen des rotierenden Rotors. In diesem Fall ist es erforderlich, Zwangskräfte, welche die Schwankungen vollständig oder nahezu vollständig unterbinden und welche die Drehzahl des Rotors fest vorgeben würden, zu vermeiden. Daher wird hier der Rotor in einer Art und Weise rotiert, dass kein Antriebsmoment vorhanden ist, dass das Antriebsmoment nicht fest eingekoppelt ist oder dass das Antriebsmoment weich eingekoppelt ist. Letzteres ist der Fall bei einem Antrieb durch eine Strömung, z. B. bei einer Windenergieanlage, bei Lüftern, Wasserturbinen, Flügelraddurchflussmessern, etc. Solange diese weich eingekoppelten Antriebsmomente keine Drehschwingungen verursachen, die ähnlich dem Effekt der Unwucht im Schwere- oder Auftriebsfeld sind, stellen diese Antriebsmomente kein Problem dar. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher insbesondere beim Auslaufen von Rotoren durchgeführt werden, die von ihrem Antrieb abgekoppelt sind, z. B. auslaufende Elektromotoren und Lüfter.For non-rigidly coupled rotors, the invention is based on the measurement of rotational angular velocity variations of the rotating rotor. In this case, it is necessary to avoid constraining forces which completely or almost completely suppress the fluctuations and which would set the speed of the rotor firmly. Therefore, here the rotor is rotated in such a way that no drive torque is present, that the drive torque is not firmly coupled or that the drive torque is soft coupled. The latter is the case with a drive by a flow, z. As long as these soft-coupled drive torques cause no torsional vibrations, which are similar to the effect of imbalance in the gravitational or buoyancy field, these drive torques pose no problem. The inventive method can therefore in particular be carried out at the outlet of rotors which are decoupled from their drive, z. As expiring electric motors and fans.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher auch bei kleinen Drehzahlen angewendet werden, die oft ohne Antrieb nur durch Anstoßen des Rotors realisiert werden können. The method according to the invention can therefore also be used at low speeds, which can often be realized without drive only by abutment of the rotor.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher auch bei sehr langsam laufenden Rotoren, wie z. B. bei Windenergieanlagen, durchgeführt werden. Bei Windenergieanlagen liegen die zu messenden Schwingungen in einem für das konventionelle Betriebswuchten sehr niedrigen Frequenzbereich von unter 1 Hz. In diesem Bereich sind Messungen mit Beschleunigungssensoren aufwendig und oftmals durch die kleinen zu messenden Beschleunigungen fehlerbehaftet. Außerdem muss bei Windverhältnissen gewuchtet werden, die eine ausreichende und konstante Drehzahl ermöglichen, die in der Regel zu einem entsprechenden Produktionsausfall führen.The inventive method can therefore also with very slow-running rotors, such. B. in wind turbines, performed. In wind turbines, the vibrations to be measured are in a very low for the conventional operating balancing frequency range of less than 1 Hz. In this area, measurements with acceleration sensors are complex and often due to the small to measuring accelerations faulty. In addition, it must be balanced in wind conditions that allow a sufficient and constant speed, which usually lead to a corresponding loss of production.

Per Definition der Unwucht ist das auf einen Rotor im Schwerefeld wirkende Drehmoment gleich der Unwucht mal der Beschleunigungskonstante des Schwerefeldes (im Schwerefeld der Erde also die Erdbeschleunigung g). Wenn keine ähnlich wirkenden zusätzlichen Momente am Rotor angreifen und der Rotor nicht starr an einen Antrieb gekoppelt ist, der keine Drehzahlschwankungen zulässt, kann aus der resultierenden Änderung der Winkelgeschwindigkeit daher die Unwucht berechnet werden.By definition of the imbalance, the torque acting on a rotor in the gravitational field is equal to the unbalance times the acceleration constant of the gravitational field (in the gravitational field of the earth, therefore, the gravitational acceleration g). If no similarly acting additional moments act on the rotor and the rotor is not rigidly coupled to a drive that does not allow speed variations, therefore, the imbalance can be calculated from the resulting change in angular velocity.

1 zeigt einen Rotor R mit einem gegebenen Trägheitsmoment J. Eine Unwuchtmasse m rotiert um die Drehachse D mit dem Abstand r. Es sind vier Messpunkte S1 bis S4 als Markierungen gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. Der Messpunkt S1 stellt die Startmarkierung dar und unterscheidet sich daher von den anderen Messpunkten S2–S4. Die Unwuchtmasse hat zum Messpunkt S1, d.h. zur Startmarkierung, eine Winkellage φu. Ein Mittel 1 zur Erfassung der Position der Markierung gibt ein Signal über einen Übertragungskanal an eine Signalverarbeitungseinheit 2 weiter, bei welcher es sich zum Beispiel um einen Zähler oder A/D-Wandler handeln kann. Die Signalverarbeitungseinheit 2 kann auch eine Zähleinheit zur Erfassung der Messpunkte S1–S4 und eine Messeinheit zur Erfassung des Zeitraumes t1–t4 zwischen zwei Signalen umfassen. Mittels dieser Informationen lassen sich bei gegebenen Winkelabständen der Messpunkte S1–S4 die drehwinkelabhängigen Winkelgeschwindigkeiten berechnen. 1 shows a rotor R with a given moment of inertia J. An imbalance mass m rotates about the axis of rotation D with the distance r. There are four measuring points S 1 to S 4 arranged as markers evenly distributed over the circumference. The measuring point S 1 represents the start marking and therefore differs from the other measuring points S 2 -S 4 . The imbalance mass has an angular position φ u to the measuring point S 1 , ie to the start mark. A means 1 for detecting the position of the marker outputs a signal via a transmission channel to a signal processing unit 2 continue, which may be, for example, a counter or A / D converter. The signal processing unit 2 may also comprise a counting unit for detecting the measuring points S 1 -S 4 and a measuring unit for detecting the period t 1 -t 4 between two signals. By means of this information can be calculated at given angular distances of the measuring points S 1 -S 4, the rotation angle-dependent angular velocities.

Vereinfacht ausgedrückt ist das Drehmoment M aus der Massenträgheit des Rotors einschließlich seiner Unwucht gleich dem Drehmoment Mu, das durch die Unwucht im Schwerefeld erzeugt wird.In simple terms, the torque M from the inertia of the rotor including its imbalance is equal to the torque M u , which is generated by the imbalance in the gravitational field.

Anhand der nachfolgenden Gleichung (1) bis (4) und unter Berücksichtigung der Darstellung der 1 ist zu erkennen, dass die Drehwinkelbeschleunigung ω  eine Funktion des Drehwinkels φ ist: M = Mu (1) mit M = Jω . + mr2ω . (2) und Mu = G·rcos(φ + φu) = mg·rcos(φ + φu) (3) mit

ω:
Winkelgeschwindigkeit
ω .:
Winkelbeschleunigung
φ:
Winkel des Rotors
φU:
Winkel der resultierenden Unwucht gegenüber der Horizontalen, entgegen der Drehrichtung, wenn des Rotors bei 0° steht.
G = mg:
Schwerkraft
g:
Gravitationskonstante
J:
Massenträgheitsmoment des Rotors
r:
Radius der resultierenden Unwucht
m:
Masse der Unwucht
With reference to the following equation (1) to (4) and considering the illustration of 1 It can be seen that the rotational angular acceleration ω  is a function of the rotational angle φ: M = M u (1) With M = Jω. + mr 2 ω. (2) and M u = G * rcos (φ + φ u ) = mg * rcos (φ + φ u ) (3) With
ω:
angular velocity
ω.:
angular acceleration
φ:
Angle of the rotor
φ U :
Angle of the resulting imbalance with respect to the horizontal, contrary to the direction of rotation when the rotor is at 0 °.
G = mg:
gravity
G:
gravitational constant
J:
Moment of inertia of the rotor
r:
Radius of the resulting imbalance
m:
Mass of imbalance

Aus den Gleichungen (1) bis (3) ergibt sich die drehwinkelabhängige Winkelbeschleunigung mit

Figure DE102014100126B4_0002
From the equations (1) to (3) results in the rotation angle-dependent angular acceleration
Figure DE102014100126B4_0002

Für diskret gemessene Werte ωi in äquidistanten Winkel-Abständen iΔφ folgt daraus:

Figure DE102014100126B4_0003
mit

fi:
gemessene Reihe der Winkelbeschleunigungen
ai:
Drehbeschleunigung am Winkel iΔφ verursacht durch Unwucht
ui:
Drehbeschleunigung oder Messfehler am Winkel iΔφ verursacht nicht durch Unwucht und nicht moduliert mit cos(φi + φv)
vi:
Drehbeschleunigung oder Messfehler am Winkel iΔφ verursacht nicht durch Unwucht, aber moduliert mit cos(φi + φv)
Vi:
Modulationsfaktor
φv:
Phasenwinkel der Störung.
For discretely measured values ω i at equidistant angular distances iΔφ follows:
Figure DE102014100126B4_0003
With
f i :
measured series of angular accelerations
a i :
Spin at angle iΔφ caused by imbalance
u i :
Spin or measurement error at angle iΔφ does not cause imbalance and is not modulated with cos (φ i + φ v )
v i :
Spin or measurement error at angle iΔφ does not cause imbalance, but modulated with cos (φ i + φ v )
V i :
modulation factor
φ v :
Phase angle of the fault.

Das Besondere an dieser Darstellung ist, dass die Winkelbeschleunigung nicht als Funktion der Zeit, sondern als Funktion des Drehwinkels φ dargestellt ist. Diese Funktion kann in einen Bildraum transformiert werden von einer Funktion f(φ) in F(1/φ). In dieser transformierten Funktion F ist der unwuchtbasierte Anteil idealerweise auf einen Funktionswert konzentriert, z. B. bei A = F(1/(2π)) im Falle einer Fouriertransformation. The special feature of this representation is that the angular acceleration is not shown as a function of time, but as a function of the angle of rotation φ. This function can be transformed into a picture space by a function f (φ) in F (1 / φ). In this transformed function F, the unbalance-based fraction is ideally concentrated on a function value, e.g. B. at A = F (1 / (2π)) in the case of a Fourier transform.

Bei der Transformation, bei der es sich um eine Integraltransformation und insbesondere eine Fouriertransformation handelt, sollte sich der Anteil der Unwucht auf möglichst wenige Punkte im Bildraum konzentrieren. Im Falle der Fouriertransformation einer Folge von Winkelbeschleunigungen über eine Umdrehung konzentriert sich die Unwucht auf einen Punkt im Bildraum der Transformation. Bei der Erfindung wird nun die komplexe Amplitude dieses Punktes als Intensität der unwuchtbedingten Winkelbeschleunigung bestimmt. Analog zur Transformation einer Cosinusfunktion als Zeitreihe kann dieser Punkt die erste Harmonische genannt werden und kann hinsichtlich des Scheitelwerts der zugrunde liegenden Cosinusfunktion ausgewertet werden. Daraus ergibt sich die Unwucht m × r und der Winkel φu. Mit anderen Worten werden die komplexen Koeffizienten der ersten Harmonischen der transformierten Funktion berechnet.In the transformation, which is an integral transformation and in particular a Fourier transformation, the proportion of imbalance should concentrate on as few points as possible in the image space. In the case of Fourier transformation of a sequence of angular accelerations over one revolution, the imbalance concentrates on a point in the image space of the transformation. In the invention, the complex amplitude of this point is now determined as the intensity of the unbalanced angular acceleration. Analogous to the transformation of a cosine function as a time series, this point can be called the first harmonic and can be evaluated with regard to the peak value of the underlying cosine function. This results in the imbalance m × r and the angle φ u . In other words, the complex coefficients of the first harmonic of the transformed function are calculated.

Durch das Setzen einer Ausgleichsunwucht derselben Größe wie die Unwucht m × r an der effektiven Winkelposition φu + 180° oder durch Entfernen der Unwucht m × r an der effektiven Winkelposition φu kann die Unwucht ausgeglichen werden. Sollte es relevante Störungen vi geben, d. h. Drehbeschleunigungen oder Messfehler am Winkel iΔφ, die nicht durch die Unwucht verursacht sind, aber mit cos(φi + φv) moduliert sind, können diese Störungen durch ein geeignetes Modell herausgerechnet werden oder mit dem Setzen einer definierten Testmasse bei bekanntem Massenträgheitsmoment heraus gemessen werden.By setting a balancing imbalance of the same magnitude as the imbalance m × r at the effective angular position φ u + 180 ° or by removing the imbalance m × r at the effective angular position φ u , the imbalance can be compensated. Should there be relevant disturbances v i , ie spin accelerations or measurement errors at the angle iΔφ, which are not caused by the unbalance but are modulated with cos (φ i + φ v ), these disturbances can be eliminated by a suitable model or with the setting a defined test mass with known moment of inertia are measured out.

Insbesondere dann, wenn Vi eine Funktion der mittleren Drehzahl ω ist und die Abhängigkeit von der Drehzahl bekannt ist, kann durch die Messung bei verschiedenen Drehzahlen, z. B. während des Aus- oder Anlaufens, Vi bestimmt werden und die Funktion Vi von Fi abgespalten werden. Es wird also zusätzlich die mittlere Winkelgeschwindigkeit gemessen oder bestimmt. In particular, if V i is a function of the average speed ω is and the dependence on the speed is known, by measuring at different speeds, eg. B. during the start or stop, V i are determined and the function V i of F i are split off. Thus, in addition, the average angular velocity is measured or determined.

Wird die erste Harmonische A der Transformierten als Funktion der mittleren Winkelgeschwindigkeit dargestellt, ergibt sich im Idealfall eine Konstante, die unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit ω ist. In der Praxis ist sie aber aufgrund verschiedener winkelgeschwindigkeitsabhängiger Einflüsse, zumeist eine Parabel oder ein Polynom höherer Ordnung. Durch eine Anpassungsfunktion (Fitfunktion) kann der Zusammenhang zwischen der mittleren Winkelgeschwindigkeit und der ersten Harmonischen als kontinuierliche Funktion dargestellt werden. Die Anpassungsfunktion ist insbesondere eine Polynomfunktion. Der konstante Anteil der Polynomfunktion ist die gesuchte Winkelbeschleunigung, anhand derer sich der Winkel φu der Unwuchtmasse berechnen lässt. If the first harmonic A of the transform is represented as a function of the mean angular velocity, ideally a constant is obtained that is independent of the angular velocity ω. In practice, however, it is due to various angular velocity-dependent influences, usually a parabola or a polynomial of higher order. An adaptation function (fit function) allows the relationship between the mean angular velocity and the first harmonic to be represented as a continuous function. The adaptation function is in particular a polynomial function. The constant portion of the polynomial function is the desired angular acceleration, by means of which the angle φ u of the imbalance mass can be calculated.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Messung der Winkelbeschleunigung durch Signalanalyse, wobei Anteile, die auf Messfehler und tatsächliche Änderungen der Winkelbeschleunigung oder auf anderen Ursachen (Reibung, Strömung etc.) beruhen, eliminiert werden. Dieses Verfahren ist in-situ anwendbar, ohne dass zusätzliche Sensoren zur Messung der Kraft installiert werden müssten. Das Verfahren eignet sich insbesondere auch bei weich eingekoppelten Kräften, wie aerodynamischen Auftriebskräften bei einem Windrad oder hydrodynamischen Antriebskräften bei einer Wasseruhr. Hier ändert sich das Drehmoment durch die Strömung praktisch nicht aufgrund der kleinen Drehzahlschwankungen aus der Unwucht. Vielmehr hebt sich ein über eine Umdrehung konstantes Drehmoment an einem bestimmten Punkt mit der Reibung auf oder erzeugt eine konstante Beschleunigung. In beiden Fällen kann die Frequenz herausgefiltert werden. The method according to the invention makes it possible to measure the angular acceleration by means of signal analysis, portions which are based on measurement errors and actual changes in the angular acceleration or on other causes (friction, flow, etc.) being eliminated. This method is applicable in situ without the need to install additional sensors to measure the force. The method is particularly suitable for soft-coupled forces, such as aerodynamic buoyancy forces in a wind turbine or hydrodynamic driving forces in a water meter. Here, the torque is virtually unchanged due to the flow due to the small speed fluctuations from the imbalance. Rather, a constant torque over a revolution at a certain point with the friction canceled or generates a constant acceleration. In both cases, the frequency can be filtered out.

Neben der schnellen Fouriertransformation (FFT) eignen sich auch die diskrete Fouriertransformation (DFT) und andere Basistransformationen des Vektorraums, der den durch die Messwerte auf einer Umdrehung gegeben Vektor umfasst.In addition to the fast Fourier transform (FFT), the discrete Fourier transform (DFT) and other base transformations of the vector space, which includes the vector given by the measured values on one revolution, are also suitable.

Die kontinuierliche Anpassungsfunktion ist nicht zwingend eine Polynomfunktion, da es unter bestimmten Umständen erforderlich sein kann, andere Anpassungsfunktionen als Polynomfunktionen, wie z. B. Exponentialfunktionen, zu verwenden, je nachdem, welcher Natur die Störungen sind.The continuous fit function is not necessarily a polynomial function, as under certain circumstances it may be necessary to use other fit functions than polynomial functions, such as polynomial functions. As exponential functions to use, depending on the nature of the disorders.

2 zeigt in schematischer Darstellung einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen einer Unwucht des Rotors mit Hilfe des Abspaltens von Störgrößen. Im ersten Schritt wird der Rotor mit mindestens drei äquidistanten Messpunkten, d. h. Markierungen auf seinem Umfang, versehen, die von einem Sensor erfasst werden können. Die erste Markierung wird als 0°-Markierung erfasst. Dies kann dadurch erfolgen, dass ein zweiter Sensor vorgesehen ist oder durch eine Markierung, die sich von anderen Markierungen unterscheidet. Jedes Segment erstreckt sich über einen definierten Umfangsbereich Δφ. 2 shows a schematic representation of a sequence of the method according to the invention for determining an imbalance of the rotor by means of the removal of disturbances. In the first step, the rotor is provided with at least three equidistant measuring points, ie markings on its circumference, which can be detected by a sensor. The first mark is recorded as a 0 ° mark. This can be done by providing a second sensor or by a mark that differs from other markings. Each segment extends over a defined circumferential area Δφ.

Anschließend wird der Rotor im Freilauf rotiert und die Zeit ti zwischen dem Vorbeilaufen zweier Messpunkte Si-1 und Si gemessen. Die Messwerte werden in Abhängigkeit von der Umdrehung n und dem Drehwinkel φi gespeichert. Aus diesen Messwerten wird einerseits die durchschnittliche Drehzahl ω als Funktion der Umdrehung n berechnet und andererseits die Winkelbeschleunigung ω  als Funktion des Drehwinkels φi und der Umdrehung n. Die Winkelbeschleunigung ω  als Funktion des Drehwinkels φ wird mittels Fouriertransformation transformiert und die Winkelbeschleunigungsamplitude Aj bei j = 1 (erste Harmonische) als Funktion der Umdrehung n berechnet. Diese Messung wird für verschiedene mittlere Winkelgeschwindigkeiten ω durchgeführt, so dass die komplexe Winkelbeschleunigungsamplitude A als Funktion der durchschnittlichen Drehzahl ω dargestellt werden kann, d. h. getrennt nach Realteil und Imaginärteil. Diese beiden Funktionen der komplexen Winkelbeschleunigung können durch eine Anpassungsfunktion (Fitfunktion), z.B. eine Polynomfunktion, als kontinuierliche Funktion ausgedrückt werden. Aus dem drehzahlunabhängigen Anteil cI und cR der Anpassungsfunktion, insbesondere der Polynomfunktion, ergeben sich die maximalen Winkelbeschleunigungen, die resultierende Unwuchtmasse und natürlich auch der Unwuchtwinkel φu.Subsequently, the rotor is rotated in the freewheel and the time t i between the passing of two measuring points S i-1 and S i measured. The measured values are stored as a function of the revolution n and the angle of rotation φ i . These measured values on the one hand, the average speed ω calculated as a function of rotation n and on the other hand, the angular acceleration  ω as a function of the rotation angle φ i and the rotation n. The angular acceleration ω  as a function of the rotation angle φ is transformed by Fourier transformation and the angular acceleration amplitude A j for j = 1 (first harmonic) and Function of revolution n calculated. This measurement is for different mean angular velocities ω performed so that the complex angular acceleration amplitude A as a function of the average speed ω can be represented, ie separated by real part and imaginary part. These two functions of the complex angular acceleration can be expressed as a continuous function by a fit function, eg a polynomial function. From the speed-independent component c I and c R of the adaptation function, in particular the polynomial function, the maximum angular acceleration, the resulting imbalance mass and of course the imbalance angle φ u .

Claims (10)

Verfahren zur Bestimmung einer Unwucht eines Rotors (R) mit bekanntem Trägheitsmoment mit einer Drehachse unparallel zu einem Schwerefeld und/oder einem Auftriebsfeld mit folgenden Schritten: a) Festlegung von u > 2 über den Umfang des Rotors (R) verteilten Messpunkten (Si, i = 1 ... u) und Bereitstellen von Mitteln zur Erfassung der Position der Messpunkte (Si) in Abhängigkeit von der Zeit t; b) Rotieren des Rotors (R) und Messen des Drehwinkels (φ) sowie der Winkelgeschwindigkeit (ω) des Rotors (1) bei einem nicht oder nicht fest eingekoppelten Antriebsmoment und berechnen der ortsabhängigen Winkelbeschleunigung (ω ) als Funktion des Drehwinkels (φ) in einem Bereich zwischen zwei aufeinander folgenden Messpunkten (Su–Si für i = 1; Si-1–Si für i = 2 ... u); c) Transformation der Winkelbeschleunigung (ω ) als Funktion des Drehwinkels (φ) in einen Bildraum; d) Bestimmung der komplexen Amplitude (A1) als Intensität der unwuchtbedingten Winkelbeschleunigung im Bildraum der transformierten Funktion; e) Auswertung der komplexen Amplitude (A1) zur Bestimmung des Winkels (φu) einer statischen Unwucht (m × r), wobei r der Abstand der Unwuchtmasse (m) von der Drehachse (D) des Rotors (R) ist.Method for determining an imbalance of a rotor (R) with known moment of inertia with an axis of rotation unparallel to a gravitational field and / or a buoyancy field with the following steps: a) definition of measuring points distributed over the circumference of the rotor (R) of u> 2 (S i , i = 1 ... u) and providing means for detecting the position of the measuring points (S i ) as a function of the time t; b) rotating the rotor (R) and measuring the angle of rotation (φ) and the angular velocity (ω) of the rotor ( 1 ) at a drive torque that is not or not permanently coupled and calculates the location-dependent angular acceleration (ω ) as a function of the rotational angle (φ) in a region between two successive measurement points (S u -S i for i = 1; S i-1 -S i for i = 2 ... u); c) transformation of the angular acceleration (ω ) as a function of the angle of rotation (φ) in an image space; d) determination of the complex amplitude (A 1 ) as intensity of the unbalanced angular acceleration in the image space of the transformed function; e) evaluation of the complex amplitude (A 1 ) for determining the angle (φ u ) of a static unbalance (m × r), where r is the distance of the imbalance mass (m) from the axis of rotation (D) of the rotor (R). Verfahren nach Anspruch 1 mit folgenden Schritten: a) Die Schritte b) bis d) des Patentanspruchs 1 werden für verschiedene mittlere Winkelgeschwindigkeiten ( ω ) wiederholt; b) Darstellen des Real- und Imaginärteils der komplexen Amplitude (A1) als Funktion der jeweiligen mittleren Winkelgeschwindigkeit: Re{A1(ω)} und Im{A1(ω)} und Berechnung des winkelgeschwindigkeitsunabhängigen Anteils über eine kontinuierliche Anpassungsfunktion für Re{A1(ω)} und Im{A1(ω) } sowie Auswertung des winkelgeschwindigkeitsunabhängigen Anteils der Anpassungsfunktionen zur Bestimmung des Winkels (φu) und des Betrags der statischen Unwucht (m × r).Method according to claim 1, comprising the following steps: a) The steps b) to d) of claim 1 are used for different average angular speeds ( ω ) repeated; b) Representing the real and imaginary parts of the complex amplitude (A 1 ) as a function of the respective mean angular velocity: Re {A 1 ( ω )} and In {A 1 ( ω )} and calculating the angular velocity independent fraction via a continuous adaptation function for Re {A 1 ( ω )} and In {A 1 ( ω ) } as well as evaluation of the angular velocity independent portion of the adaptation functions for the determination of the angle (φ u ) and the amount of the static unbalance (m × r). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsfunktion eine Polynomfunktion ist.A method according to claim 2, characterized in that the adaptation function is a polynomial function. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsfunktion eine Exponentialfunktion ist.A method according to claim 2, characterized in that the adaptation function is an exponential function. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Störeinflüsse auf die komplexe Amplitude (A1) durch das Setzen eines Testgewichts ermittelt werden. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that disturbing influences on the complex amplitude (A 1 ) are determined by setting a test weight. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation in den Bildraum mittels einer Fouriertransformation erfolgt. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the transformation takes place in the image space by means of a Fourier transformation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation in den Bildraum mittels einer schnellen Fouriertransformation erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the transformation into the image space takes place by means of a fast Fourier transformation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation in den Bildraum mittels einer diskreten Fouriertransformation erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the transformation into the image space takes place by means of a discrete Fourier transformation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem auslaufenden, von einem Antrieb oder Abtrieb abgekoppelten Rotor (R) durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that it is carried out at an outgoing, decoupled from a drive or driven rotor (R). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem durch Strömung angetriebenen Rotor (R) durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that it is carried out in a flow-driven rotor (R).
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