CH677147A5 - - Google Patents

Description

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CH 677 147 A5

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des ersten Anspruches,

Das Verfahren ist z.B. für Pumpen und Turbinen mit Wellen und Flügelrädern oder Rotoren bestimmt, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind. Insbesondere bezieht sich das Verfahren auf einen Vibrationstest zur Bestimmung des strukturellen Zustandes der Weile und des Flügelrades oder Rotors innerhalb eines Gehäuses, ohne dass diese drei Teile aus dem Gehäuse entfernt werden.

Da die Erfindung sowohl auf Pumpen wie auf Turbinen angewandt werden kann, wird abwechselnd auf die beiden Bezug genommen. Ferner wird der Ausdruck Flügelrad, der normalerweise im Zusammenhang mit Pumpen verwendet wird, abwechselnd mit dem Ausdruck Rotor benutzt, der normalerweise zusammen mît Turbinen benutzt wird. Ferner werden Pumpen normalerweise von einem Motor angetrieben, während Turbinen in der Regel von einem Generator belastet werden.

Die hierin offenbarte Technik wurde zuerst zum Testen von vier Umlaufpumpen an einem Atomreaktor benutzt. Infolgedessen beziehen sich die Hinweise in der Beschreibung hauptsächlich auf Pumpen und Flügelräder,

Es ist bereits bekannt, dass Mechaniker solche Maschinen mit einem Hammer anschlagen und dann der Klang abgehört wird. Erfahrungen mit solchen Schlägen und den dadurch entstehenden Tönen machen es möglich festzustellen, ob etwas nicht in Ordnung ist. Dieses Verfahren ist fehlerhaft, verlässt sich auf den Mechaniker und ist nicht ganz einwandfrei.

Es ist auch bekannt, dass Ingenieure Betriebs-Vibrationsdaten verwenden, um Maschinenprobleme, beispielsweise Anomalitäten der Zähne, Lagerabnutzungen, ungenaue Ausrichtung der Maschine und andere Fehler, zu diagnostizieren. Wie dies nun ist, bleibt eine Fehlerklasse übrig, die nicht ermittelt werden kann. So können beispielsweise Schrauben tief im Inneren einer Pumpe, welche das Schaufelrad mit einer Welle verbinden, normalerweise nicht durch ein solches Vorgehen kontrolliert werden. Normalerweise wird eine Pumpe mit Fehlern in der Verbindung der Welle mit dem Schaufelrad so lange betrieben, bis sich das Schaufelrad, normalerweise ohne Warnung, von der Welle löst.

Ultraschallprüfungen (UT) sind bekannt, bei welchen ein Ton einer bestimmten Frequenz in einen Maschinenteil induziert wird. Dieser Ton wird normalerweise von der Innenfläche entweder von einem Riss oder einem Ende des getesteten Teils reflektiert. Durch Messung der Zeit des zurückfliessenden Impulses ist es möglich, die Metallrissstelle örtlich zu ermitteln.

Es wurde festgestellt, dass Pumpen und Turbinen mit Weilen und daran befestigten Schaufelräder oder Rotoren in Gehäusen in der Lage sind, auf erzeugte Vibration innerhalb des Gehäuses in der gleichen Art, wie das Modell einer Welle und eines daran montierten Schaufelrades oder Rotors auf eine aufgezwungene Vibration zu reagieren, wenn das Modell frei vom Gehäuse aufgehängt ist. Die Aufhängung einer Welle und eines Schaufelrades oder eines Rotors in einem Gehäuse erfordert praktisch die gleichen Grenzbedingungen der Aufhängung des Modells der Welle und des Schaufelrades oder Rotors ausserhalb des Gehäuses. Es wurde ferner festgestellt, dass die resultierenden Vibrationen des Modells und des Prototypes zur Voraussage von spezifischen Schäden benutzt werden kann.

Es wird darauf hingewiesen, dass eine Entdeckung eine Erfindung darstellen kann. Insofern ist die Feststellung eines Wellen- und Schaufelrad- oder Rotorvihrationsverhaltens innerhalb eines Gehäuses zur Ermittlung von Fehlem als neu zu betrachten, was hier als eine Erfindung beansprucht wird, lnspektionen von in Gehäusen eingeschlossenen Pumpen und Turbinen mit Welten und Schaufelrädern oder Rotoren sind entweder deshalb erforderlich, weil ein Schaden befürchtet wird oder deshalb, weil die Wartung solche Prüfungen vorsieht. Als Beispiel wird eine Kühlpumpe für einen Atomreaktor betrachtet. Falls eine Kühlpumpe für einen Atomreaktor einen Fehler in der Befestigung des Schaufelrades an der Welle wegen losen Schrauben aufweist, ist es oft notwendig, dass alle anderen, gleichen Pumpen hinsichtlich des gleichen Fehlers überprüft werden.

Inspektionen von solchen grossen Pumpen sind keineswegs trivial. Erstens sind die Wellen, die Schaufelräder und die Gehäuse radioaktiv. Zweitens sind die Gehäuse, die Schaufelräder und die Wellen gross. Die Zerlegung und der Zugang zu solchen Pumpen ist ein grosses mechanisches Problem. Inspektion und Reparaturen müssen in abgeschirmten Behältern, wie beispielsweise in Dekontaminisie-rungsfässern, durchgeführt werden und erfordern die Verwendung von fernbetätigten Vorrichtungen. Der Zusammenbau ist langwierig und muss mit Umsicht und ohne Eile durchgeführt werden, damit die richtige Funktion der Pumpe gewährleistet wird. Ferner ist die resultierende Stillstandzeit während der Inspektion unermesslich teuer. Infolgedessen ist eine Technik erwünscht, die eine Gehäuseinspektion des strukturellen Zustandes der Welle und des Schaufelrades ermöglicht.

Bis das in dieser Beschreibung offenbarte Konzept entworfen wurde, bestand das einzige bekannte Verfahren zur Inspektion des strukturellen Zustandes darin, die Pumpe zu zerlegen, einen direkten Zugang zur Welle und zum Schaufelrad zu erhalten und danach das Schaufelrad und die Wellenverbindung mindestens direkt zu inspizieren und/oder prüfen. Nach einer solchen Inspektion und/oder Prüfung war ein Wiederzusammenbau notwendig.

Beim Test von einer Welle und eines Schaufelrades in einem Gehäuse auf den strukturellen Zustand bezüglich Fehler, wie z.B. lose Schrauben oder Risse, wird eine Einrichtung und ein Verfahren offenbart, die eine Prüfung an Ort und Stelle innerhalb eines Gehäuses ermöglichen. Ein Modell der Welle und des Schaufelrades, z.B. Ersatzteile, sind derart aufgehängt, dass sie die eingeschlossenen Grenzbe2

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dingungen simulieren und dann vibriert werden. Die Erregung der Vibrationen oder das «Läuten» erfolgt durch ein normalerweise zugängliches Ende der Welle mit Abstand von den möglichen Fehlerquellen. Eine Kappe kann zum Aufhängen der Welle und des Schaufelrades oder Rotors verwendet werden. Vibrationen werden auf das abliegende Ende der Welle, bisweilen auf die Kappe, mit einem Schlag mit einem Instrumentenhammer übertragen, wobei der Impuls gemessen wird. Das Messen und die Auflösung der resultierenden Vibrationen und Energieabgabedämpfung wird durchgeführt, indem Beschleuniger an der entfernten, normalerweise zugänglichen Wellenende montiert werden, wobei die Vibrationen von den Beschleunigern durch einen Spektrumanalysator aufgezeichnet und zurückgespielt werden. Fehler werden am aufgehängten Modell erzeugt und die Vibrationssignale aufgenommen. Danach wird die gleiche Prüfung an der mutmasslich fehlerhaften Welle sowie am Schaufelrad oder Rotor, die im Gehäuse eingeschlossen sind, durchgeführt. Danach werden die Vibrationssignale, die im Rotor erhalten werden, mit denjenigen verglichen, die im Modell erhalten werden. Voraussagen betreffend einen entweder intakten strukturellen Zustand oder Defekte werden auf der Basis von Vergleichen der gemessenen Vibrationen durchgeführt. Ein gleichzeitig durchgeführter Computermodellversuch der Vibrationen ist offenbart, der Erweiterungen der tatsächlichen Prüfungsresultate auf Defekte ausserhalb der speziellen Signale ermöglicht, die bei Modellprüfungen erhalten werden.

Das bevorzugte Verfahren bei einer Pumpe mit vertikaler Welle und tief montiertem Schaufelrad verwendet eine strukturelle Analyse zur Identifikation von strukturellen Frequenzen und Artformen des Wellenzusammenbaus und verlässt sich auf die heikle Tatsache, dass ein massives Schaufelrad oder ein Rotor am Boden der vertikalen Welle dazu neigt, als Festpunkt zu agieren. Dies bewirkt, dass die Welle auf einen einfachen, frei befestigten Strahl reagiert, wenn sie zu Eingängen an der zugänglichen Höhe der Welle gezwungen wird. Die Reaktion der Welle ist eine Funktion der Steifheit der Welle zum Schaufelrad- oder zur Rotor-verbundenen gemeinsamen Trennfläche und ist linear und voraussehbar, wenn sie genau gespannt ist und nichtlinear, wenn die Verschraubungsintegrität verloren gegangen ist.

Die strukturellen Reaktionseigenschaften des aus Welle und Schaufelrad bestehenden Zusammenbaus, wie dies durch Analyse bestimmt wird, sind fixiert und durch Modellprüfung an einer Prototypen-welle/Schaufelradeinheit fein eingestellt. Prototypenprüfungen werden auch zur Kennzeichnung von Reaktionssignalen als eine Funktion einer verschraubten, verbundenen Steifheit benutzt, die vom In-tegritäts- oder Spannungspegel in den Schrauben überwacht wird. Ein Database von Wellen/Schau-felrad-Signalen, die durch Prüfung von Prototypen-Zusammenbauten erzeugt werden liefert das Mittel, mit dem die Integrität der tatsächlich installierten Wellen/Schaufelrad-Einheiten ohne Zerlegung der Pumpen festgelegt werden kann. Dies kann als analog zum Läuten einer rissfreien Kopie (ein Prototyp) der Liberty Bell (Freiheitsglocke) und Aufnahme des retournierten Signals betrachtet werden, wonach die Rückantwort der mit einem Riss versehenen Freiheitsglocke mit der Prototypenantwort verglichen wird.

Das Prototypenmodell ist leicht zu erhalten. Alle Anlagen in Betrieb tragen aus Gründen der Zweckmässigkeit Ersatzteile für unmittelbare Verwendung und erleichterte Reparaturen. Für den offenbarten Test wird einfach eîn Ersatzteil verwendet. Auf die installierten Pumpen angewandt, verwendet die Prüfung dynamische Erregung am exponierten Ende der Pumpenwelle, während die Welleneinheit an der Motorwelle der Pumpe mittels eines flexiblen Drahtes aufgehängt ist. Am exponierten Ende der Welle werden Beschleunigungsmessgeräte zur Messung der Krafteingänge und der Reaktionssignale der Struktur (Ausgang) angeordnet. Die Ausgänge werden von einem strukturellen dynamischen Analysiergerät verarbeitet, das die Kennzeichnung der Modellantwort, strukturelle Dämpfung und der Energie ermöglicht, welche von der Struktur absorbiert wird. Ein Vergleich dieser Daten mit denjenigen, welche vom Prototyp erzeugt werden, ermöglicht eine Kennzeichnung des Unterschieds in der strukturellen Integrität mittels der Vibrationellen Signaländerungen und liefert Informationen, an welchen ein Entscheid, unabhängig davon, ob die Pumpe zerlegt wird oder nicht, gemacht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines zerlegungsfreien Verfahrens zur Prüfung einer Welle mit einem Flügelrad, die beide in einem Gehäuse eingeschlossen sind.

Dabei kann eine spezielle Kappe für die Aufhängung und die Vibration einer Pumpenwelle und eines Schaufelrades benutzt werden. Da das direkte Anschlagen von kritischen Teilen einer Pumpenwelle verhindert werden muss und es zudem zweckmässig ist, an Stiften montierte Sensoren für einen optimalen Kontakt zu verwenden, ist eine spezielle Kappe offenbart, die Gewindestifte akzeptiert und einen Bereich für Hammerschläge liefert. Die Kappe wird auf das Ende der Welle angeschraubt und hält einen Ring zwischen dem Ende der Welle und der Kappe. Die Kappe wird auf die Welle aufgeschraubt und Kom-pressions-Sperrschrauben werden gegen den Ring angezogen.

Die Kompression der Sperrschrauben halten die Kappe satt gegen den oberen Teil der Welle, so dass die beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.

Die Kappe schliesst vorspringende Ohren ein, die ein tangentiales Anschlagen der Welle zur Erregung der Torsionsart der Vibration ermöglichen. Radial- und Längsvibrationen werden typischerweise dadurch ausgeführt, dass die nichtkritischen Teile der Welle direkt angeschlagen werden, jedoch kann die Kappe für solche Schläge benutzt werden, sofern sie richtig befestigt ist.

Das hier beschriebene Verfahren wurde experimentell an Pumpen für Atomreaktoren bei einem Kunden ausgeführt. Bei diesen speziellen Pumpen waren die Schaufelräder mittels Schrauben an den Wellen

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befestigt Der Ausfall einer ähnlichen Pumpe in einer ähnlichen Umgebung hat bewiesen, dass eine lnspektion erwunschenswert war.

Während des resultierenden Prüfens bestätigte eine Zerlegung der Pumpe das hier offenbarte Verfahren. In einem Falle hat sich aber ein angezeigter Fehler mit einer losen Verbindung zwischen dem Schaufelrad und der Welle als nicht zutreffend erwiesen. Das durch die Prüfung erstellte Protokoll hat eine Voraussage von einem Gebiet ermöglicht, das eine weitere Inspektion erfordert, falls der ursprünglich angenommene Fehler nicht gefunden wurde. Eine Abnormität im Drehbereich wurde durch Analyse vorausgesagt und ein Riss des Drehzapfens in der Lagerfläche wurde anschliessend entdeckt.

Es wird darauf hingewiesen, dass sich der hier beschriebene Fall vorzugsweise auf eine vertikal montierte Welle mit einem Schaufelrad oder einem Rotor am unteren Ende bezieht. Das Protokoll ist aber keineswegs auf diese Ausführung begrenzt. Ferner werden Turbinen und Pumpen der hier beschriebenen Prüfung unterzogen. Alles was benötigt wird, ist, dass die Grenzbedingungen für die Aufhängung der Ersatzteile ausserhalb des Gehäuses praktisch die gleichen sind, wie für die Verwendung dieser Teile innerhalb des Gehäuses.

Es wurde festgestellt, dass die hier entwickelte Technik für die Verwendung mit normierten Computermodelltechniken nützlich war. Die tatsächliche Vibration des Modells (entweder ein Ersatzteil oder ein Modell eines Ersatzteiles) kann mit einem theoretisch erzeugten Computermodell verglichen werden. Das theoretisch erzeugte Computermodell kann dann genauer variiert werden, um sich den tatsächlich festgestellten Vibrationen des Modells anzunähern. Später, wenn das tatsächliche Prüfen am Objekt an einer Pumpe in einem Gehäuse durchgeführt wurde, kann das fein eingestellte Computermodell zur Hilfe bei der Ermittlung von unerwarteten Fehlern benutzt werden. Wenn beispielsweise ein angenommer Fehler nicht gefunden wird, kann das Zurückgreifen auf den fein eingestellten Computer dazu helfen, andere Bereiche für eine lnspektion zu lokalisieren und festzulegen, sobald es bekannt ist, dass das geprüfte Modell eine natürliche Frequenz aufweist, die von der Norm abweicht.

Ferner wird darauf hingewiesen, dass die hier verwendete Vibration nicht während des Betriebs der Maschine auftaucht. Die Vibration ensteht eher dann, wenn die geprüfte Pumpe oder Turbine nicht in Betrieb ist. Daten werden zweckmässigerweise von solchen Vibrationen erzeugt, um spezielle Defekte zu ermitteln.

Zudem wird darauf hingewiesen, dass ein erster Vorteil der offenbarten Technik die Fähigkeit ist, Vibrationen von einem exponierten Ende einer Welle auszuüben, um Ausschau nach einen entfernten Defekt zu halten, der sich tief innerhalb der Pumpe oder Turbine befindet. Diese Fähigkeit zur Prüfung nach entfernten oder sonstwie unzugänglichen Fehlern ist insbesondere dann bei Pumpen und Turbinen nützlich, wenn die Zerlegung sehr umständlich ist.

Die hier offenbarte Prüfung verwendet natürliche Vibrationen der Einheit bestehend aus der Welle und dem Schaufelrad oder Rotor. Die angeschlagene Welle reagiert mit natürlichen Vibrationen. Es sind die Änderung dieser natürlichen Frequenzen, die als Vibrationssignale eines Defekts dienen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Aufstellung einer bevorzugten Vibrationsart der Welle und des Schaufelrades. Der Frequenzgang der Welleneinheit muss eine Funktion des erwarteten Defekts darstellen, in der hier beschriebenen Ausführung ist die Schraube vorgespannt. Es gibt viele Verfahren um dies zu erreichen und eine Auswertung wurde durchgeführt, um das geeignetste Verfahren für diese Anwendung zu finden. Das Sinusablenkverfahren ist das traditionelle Verfahren. Mit der Anwendung von Digitalsignalverarbeitung stehen andere nützliche Verfahren zur Verfügung, wie beispielsweise das Zufälligkeitsprüfen und periodische Zufallprüfen. Jedes Verfahren ist mit Vor-und Nachteilen verbunden. Für die vorliegende Ausführungsform wurde das Aufschlag-Prüfverfahren aus den folgenden Gründen gewählt:

(a) Die Aufstellungs- und Befestigungszeit ist kürzer als bei allen anderen Erregungsverfahren.

(b) Die Anforderungen an die Ausrüstung sind die niedrigsten.

(c) Es ist sehr schnell, verglichen mit der Sinusablenkung, die mindestens 20 min. für eine Messung benötigt, sofern eine Bandbreite von 100 Hz abgedeckt wird. Mit Tausenden von Frequenzgangmessun-gen und dem gegebenen Zeitrahmen ist Aufschlagsprüfen ideal.

(d) Es ist für Verwendung in engen Unterkünften für Pumpenprüfungen dort ideal, wo es schwierig ist, einen Erreger zu befestigen.

(e) Die bisherige erfolgreiche Verwendung von Aufschlagverfahren.

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Seitenansicht einer Pumpe mit einer Welle innerhalb eines Gehäuses mit oben angeordnetem Antriebsmotor,

Fig. 1B eine detaillierte Darstellung der Aufhängung des Schaufelrades innerhalb des Gehäuses für die in der Erfindung offenbarte Prüfung,

Fig. 2A eine Seitenansicht der Welle, in der die Anordnung des Beschleunigungsmessers zur Aufnahme und Analyse der Wellenreaktion dargestellt ist,

Fig. 2B eine Seitenansicht des Schaufelrad-Ersatzteiles, in der die Anordnung des Beschleunigungs-

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messers zur Aufnahme und Analyse der Wellenreaktion dargestellt ist,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht der Einrichtung zur Aufhängung und Zentrierung der Welle von einem Motorlager im Raumbereich, der von der entfernten Kupplung aufgenommen wurde,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Instrumentierung, welche zur Durchführung der Vibrationsmessungen gemäss der Erfindung benutzt wurde,

Fig. 5 eine Aufzeichnung der ersten radialen Reaktionen in Abhängigkeit vom Prototyp mit passenden Objektprüfungen, die als Ordinate vermerkt ist, und

Fig. 6 eine Kurve, welche diejenigen Strecken zeigt, welche von der Frequenz und der Stärke infolge Änderungen in der Vorspannung zurückgelegt ist.

Fig. 1A zeigt eine Pumpe einer bevorzugten Ausführungsform für eine Prüfung zusammen mit dieser Erfindung. Die Einheit umfasst einen Motor M, der eine Motorwelle 14 und eine Welle S der Pumpe antreibt. Die Welle 14 des Motors M ist über eine Kupplung C mit der Welle S verbunden. Wie nachfolgend erläutert, ermöglicht das Entfernen der Kupplung C die Durchführung der Prüfung.

Der Motor M ist von einem Träger 24 über einem Gehäuse abgestützt. Das Gehäuse K umgibt die Welle S und ist am Schaufelrad I befestigt. (Siehe Fig. 1B). Die Pumpe P ist normalerweise eine Zentrifugalpumpe mit einem mittigen Einlass 20 und einem Umfangsauslass 22.

Im Betrieb rotiert der Motor M und die Welle 14 die Kupplung und dreht die Welle S, die das Schaufelrad I rotiert. Flüssigkeit, die in den Einlass 20 eingezogen wird, wird durch Zentrifugalkraft aus dem Auslass 22 ausgetrieben.

In typischer Weise ist der Motor M bezüglich des Gehäuses K mittels des Trägers 24 abgestützt, wobei auch andere Arten von AbStützungen möglich sind. Dabei kann beispielsweise der Motor M am Gebäude befestigt sein, in dem die Pumpe aufgestellt ist.

Einige Hinweise auf Abmessungen und praktische Rücksichtnahmen können zur Erläuterung des zu lösenden Problembereiches nützlich sein. Erstens umfasst die Pumpe einen Motor mit einem Gewicht von etwa 30 Tonnen und einem Durchmesser von etwa 1,80 m, der eine Leistung von etwa 6 600 kW überträgt. Die gesamte Pumpeneinheit hat eine Höhe von etwa 3,60 m, die tief in das Innere eines Atomkraftwerks hineinragt, wo die Arbeitsbedingungen keineswegs günstig sind. Die Pumpe ist in der üblichen Matrix von erforderlichen Rohren, Verankerungen, Aufhänger und Trägerstruktur eingebettet, von dem mindestens ein Teil getrennt und abgetrennt werden muss, um die Pumpe vollständig zu zerlegen. Das Entfernen von der Welle und dem Flügelrad erfordert die Entfernung von einer Vielzahl von Gewindestiften mit einem Durchmesser von ca. 5 cm. Der Zugang ist begrenzt, so dass die erforderliche Entfernung der Welie und des Schaufelrades schwierig ist. Die Pumpe, die Welle und das Schaufelrad sind radioaktiv.

In Fig. 1B ist das Schaufelrad I an der Welle 5 mittels vier Schrauben 31, 32, 33 und 34 befestigt (wobei nur diejenige 31 in der Figur gezeigt ist), obschon auch andere Befestigungsverfahren verwendbar sind. Diese jeweiligen Schrauben bilden Punkte mit möglicher fehlender struktureller Integrität.

Sogar die Schrauben sind nicht direkt exponiert. Ein Ansaugableitkörper 35 ist mittels einer Kappenschraube 36 befestigt und deckt die Enden der Schrauben zu.

Beispielsweise können solche Schrauben 31-34 aus rostfreiem Stahl bestehen. Es ist bekannt, dass solche Schrauben brechen können. Ferner können solche Schrauben sich lösen wegen der Umgebungsvibration.

Es kann von der gezeigten Konstruktion und dem erläuterten Umgebung angenommen werden, dass eine Zerlegung der Pumpe P keineswegs einfach ist.

An dieser Verbindungsstelle wird festgestellt, dass die bevorzugte Ausführungsform der Prüfung auf ein Schaufelrad gerichtet war, das an einer Welle einer Pumpe befestigt war. Die hier beschriebene Prüfung kann aber auch auf andere Befestigungstechniken angewandt werden. Als Beispiel und nicht als Ausschliessung wird darauf hingewiesen, dass die Befestigung auch durch Schweissen, Schrumpfsitz, Keilverbindung, Augen, Keile und Keilrillen und andere bekannte und benutzte Verbindungsarten erfolgen kann.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Welle ein Lager J aufweist, das darauf aufgeschrumpft oder ge-schweisst ist. Das Lager J bildet eine Lägerfläche bezüglich des Gehäuses K für eine Rotation des Schaufelrades mit hoher Drehzahl.

In Fig. 2 ist eine Einheit, bestehend aus einer Ersatzwelle S' und einem Lager J', dargestellt. Diese Einheit ist typischerweise benachbart zum Kraftwerk angeordnet, in dem sich die Pumpe P befindet. Das hier verwendete Protokoll verwendet den normalerweise zur Verfügung stehenden Ersatzteil für eine nichtzerstörende Prüfung sowie Datenbasenerzeugung.

Aus Fig. 3 geht hervor, dass die Welle 5 für die Vibrationsprüfung aufgehängt wird. Demgemäss wird eine Gewindemutter 40 und eine untere Kappe 44 verwendet. Die Mutter 40 hat ein Rillengewinde, in das ein vorstehendes Gewinde 42 zuoberst an der Welle hineingreift. Die Mutter 40 ist unten mit einer Kappe 44 versehen, die diskrete Ohren 46 einschliesst. Der Kappenkörper 44 ist derjenige Teil, durch den Radial-, Tangential- und Längsvibrationen erzeugt werden können. Dies bedeutet, dass die sorgfältig hergestellte und sehr kostspielige Welle 5 nicht während der Prüfung Schläge erhält. Sowohl die Kappe 44 als auch die Mutter 40 können als Punkte zum Ansetzen der Schläge verwendet werden. Die Kappe stösstfest gegen das Wellenende mittels einer Reihe von Schrauben 47.

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Typischerweise sind die Weile 5, das Schaufelrad 1 und das Lager J vom Motor M an der Welle 14 während des Betriebs aufgehängt (Fig. 1A). Ferner ist die Welle 5 während der hier durchgeführten Prüfung wieder am Motor M an der Welle 14 aufgehängt (siehe Fig. 1B und 3).

In Fig. 3 ist die Befestigung zur Prüfung der Pumpe und des Schaufelrades gezeigt. Vor der installati-5 on der Befestigung wurde die Pumpe entwässert und die Kupplung C sowie die zugehörigen mechanischen Dichtungen entfernt. Die Motorkuppiung am Ende der Welle 14 wurde als Stütze verwendet. Vier fange Gewindestangen 55 wurden an der Motorkupplung mittels zwei Muttern an jeder Stange befestigt. Das untere Ende der Stangen hält eine Trägerplatte, welche mittels vier Muttern gehoben oder gesenkt werden kann. Eine Zentrierplatte 64 ruht auf einer Trägerplatte 60 und hält ein Drucklager 65 und eine 10 Spindel. Die Spindel trägt das Gewicht der Welle durch einen Ringbolzen 67, einen Bügel 68 und ein Nylonband 50. Durch das Anziehen der Hebemuttern wurde die Welle vom Gehäuse gehoben. Die Weile wurde durch Zentrierung mittels der vier Schraubenspindeln 77 zentriert, um die Welle seitlich zu bewegen. Die endgültig zentrierte Position der Welle wurde visuell durch Inspektion der Wellenkonzentrizität im Pumpendichtungsgehäuse beurteilt. Dazu noch wurde die Abwesenheit einer seitlichen Berührung 15 durch die Fähigkeit zur manuellen Rotation der Welle am Drucklager 65 im Ring 66 und dem entsprechenden Ring in der Pumpe an der Stelle J verifiziert. Wenn die Welle mit anderen Worten im Gehäuse gebunden wäre, könnte der Arbeiter nicht im Stande sein, die Welle mit der Hand zu rotieren. Obschon es möglich gewesen wäre, die Welle innerhalb von 0,254 mm zu zentrieren, wäre eine genaue Zentrierung nicht notwendig, sobald Sensitivitätsstudien gezeigt haben, dass eine seitliche Berührung im Pumpengehäuse 20 nicht die Reaktionsdaten an der Welle ungültig machen würden.

Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Aufhängungen in Fig. 2 sowie in der tatsächlichen Pumpe in Fig. 3 praktisch die gleichen sind. Dies bedeutet, dass die zwei Aufhängungen praktisch die gleichen Grenzbedingungen einschliessen. Wenn die gleichen Grenzbedingungen erhalten sind, kann erwartet werden, dass das gleiche Vibrationsmuster folgen wird.

25 In Fig. 4 ist die verwendete Instrumentierung schematisch dargestellt.

Die Beschleunigungsmesser sind von der PCB Corporation hergestellt und schliessen diejenigen unter den Serien 303A und 308B ein. Der verwendete Verstärker 70 wurde von der PCB Corporation in Depew, New York hergestellt und unter der Modell Nr. 483A07 verkauft. Ein Hammer H wurde von der PCB Corporation hergestellt und unter der Modell Nr. GK291B05 verkauft und wurde zur Erzeugung 30 von Vibrationen verwendet. Der Hammer hat vorzugsweise eine Spitze T aus Metall oder Kunststoff,

Der Ausgang des Verstärkers 70 wurde einem Bandgerät 72 zugeführt, das von der Honeywell Corporation in Phoenix, Arizona hergestellt und unter der Modell Nr. 101 verkauft wurde. Ein Kurvenaufzeichnungsgerät 74 der Firma Gould, Inc. in Cleveland, Ohio wurde benutzt, das unter der Spezifikation Mark 260 Recorder verkauft wurde.

35 Ferner wurde ein Oszillograph verwendet, der von der Honeywell Corporation hergestellt wird und unter der Modell Nr. 1858 verkauft wird. Ein Doppelkanal-Spektrumanalysator 76 wurde benutzt, der von der Hewlett-Packard Corporation in Palo Alto, California hergestellt und unter der Modell Nr. 5423A verkauft wird. Eine Kathodenstrahlröhre wurde eingesetzt, die von der Hewlett-Packard Corporation hergestellt und zur Anzeige der Realzeitbasis-Vibration benutzt wurde.

40 Nachdem die eigentliche Pumpe, das Prototypenmodell und die angeschlossenen Instrumente beschrieben wurden, können nun die tatsächlichen Prüfungsresultate, die bei einem Kunden ermittelt wurden, näher betrachtet werden.

Es wurden zwei Testserien, nämlich Grundgehäuseprüfungen (Base Case Tests) und Sensitivitäts-prüfungen durchgeführt. In den erstgenannten Prüfungen wurde die Reaktion der Struktur auf ver-45 schiedene Schraubenformen geprüft, während alle anderen Parameter konstant blieben. In der Sensiti-vitätsprüfung war die Schraubenform konstant, während andere Parameter verändert wurden, um festzustellen, wie sensitiv die strukturellen, dynamischen Eigenschaften auf Änderungen in anderen Parametern reagieren. Beide Serien werden in der Folge näher beschrieben.

50 Grundfallprüfungen (Base Case Tests)

Insgesamt 20 Grundfallprüfungen (BCT-Testa) wurden durchgeführt. Gemäss der Spezifikation des betreffenden Pumpenherstellers (Byron Jackson) beträgt das Mindestdrehmoment für Bolzen 406 Nm für eine satte Konfiguration. Die ersten fünf Fälle schliessen gleichmässiges Lösen von allen vier 55 Schrauben von der satten Konfiguration zur ganz losen Konfiguration ein (siehe Fig. 6). In der Tat findet eine solches Lösen in 25%-Stufen statt. Bezugnehmend auf Fig. 6 wird darauf hingewiesen, dass das Symbol <«1» vollständige Sattheit (406 Nm) anzeigt, während «0» vollständige Losheit angibt. Testpunkte wurden erzeugt, um verschiedene Kombinationen mit 3 satten, 2 satten und 1 satten Schrauben-Konfigurationen durchzuführen (siehe Tabelle 1).

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Phase 1 (Grundfallprüfung)

Schraubenstelle

Test No, Schraube 1 Schraube 2 Schraube 3 Schraube 4

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Erläuterung 1 = 408 Nm

0,75 = 304,5 Nm

0,5 = 203 Nm

0,25=101,5 Nm

0 = 0 Nm (von Hand aufgezogen)

Für jede Prüfung wurde der Oberteil der Welle an vier Stellen angeschlagen. Diese vier Stellen waren direkt mit demselben Azimut, wie die Schrauben in Fig. 1B ausgerichtet, obschon dies im allgemeinen nicht erforderlich ist. An jeder Stelle wurde die Welle in drei Richtungen angeschlagen, nämlich vertikal, radial und tangential. Für die radiale Richtung wurden sowohl die Kappe als auch die Welle angeschlagen, für die tangentiale Richtung nur die Kappe und für die vertikale Richtung nur die Welle. In jeder Richtung wurde eine Mindestanzahl von 3 Schlägen mit dem Instrumentenhammer durchgeführt. Die tatsächliche Anzahl von Schlägen variierte, bis eine hohe Kohärenz zwischen dem Eingang und der Reaktion erreicht wurde.

Sensitivitätsprüfungen

Um die mögliche Durchführung des Konzepts für eine Anwendung bei einem Kunden festzulegen und um die Sensitivität der Resultate auf einschlägige Variable zu studieren, wurden die folgenden Prüfungen zusätzlich zu den Grundfallprüfungen durchgeführt:

(a) Sensitivität auf Gewichtsveränderungen

Die Schaufelräder für Pumpen werden normalerweise in Sand gegossen und unterliegen somit grösseren Dickenänderungen als geschmiedete oder aus fertigen Materialen hergestellte Produkte. Die Variationen sind auf systematische Bewegungen der Kerne während des Giessvorganges zurückzuführen. Die Variation im Endgewicht des Schaufelrades wurde auf weniger als 5% geschätzt, in einem Aufbau mit einer Scheibe und einer Welle ähnlich der Fig. 2, jedoch ohne Verwendung von teuren Ersatzteilen wurde eine Welle und eine Scheibe verwendet. Die Scheibe wurde zur Simulierung der Masse des

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Schaufelrades I benutzt. Die Sensitivität auf Gewichtvariationen wurde dadurch überprüft, dass der Scheibe Gewicht hinzugefügt wurde, und dann die Schlagreaktion mit Grundfallresultaten verglichen wurde.

(b) Sensitivität auf die Kappe

Die Kappe 44 und die Mütter 40 bilden eine weitere gemeinsame Verbindungsfläche zum Wellenzu-sammenbau. Zudem wird dadurch der Vorrichtung Masse hinzugefügt. Um die Wirkungen der Kappe zu evaluieren, wurden zwei Prüfungen durchgeführt. (1) Der Beschleunigungsmesser war auf die Kappe aufgestellt. Schläge wurden auf die Kappe und die Welle ausgeübt und die resultierende Reaktionsfrequenzen wurden verglichen. (2) ein Beschleunigungsmesser wurde auf die Kappe und ein weiterer zuoberst auf der Welle angebracht. Schläge wurden auf die Kappe und die Welle ausgeübt, und die resultierende Reaktionsfrequenz der beiden Beschleunigungsmesser wurden verglichen. Die beschriebene Kappe 44 und die Mutter 40 wurden geprüft, um deren Einflüsse auf Daten zu ermitteln. Falls die Kappe nicht richtig befestigt ist (im Extremfall lose befestigt), würde sie zum Klappern gegen die Welle während der Schlagreaktionsperiode neigen, wodurch unregelmässige Signale entstehen. Deshalb sind die Dichte der Kappe und deren Gesamtberührungsbereich mit der Weile von grosser Bedeutung. Die anderen Berücksichtigungen mit der Kappe war die natürliche Frequenz der Kappe. Die Kappe ist so bemessen, dass ihre unterste natürliche Frequenz ausserhalb des Interessengebietes liegt, was durch Prüfungen verifiziert wurde.

(c) Sensitivität auf seitliche Träger

Es wurde überlegt, ob es nicht bei der installierten Pumpe praktisch sein könnte, die Pumpenwelle in freiem Zustand aufzuhängen, d.h. ohne dass die Welle die Lager oder das Pumpengehäuse an einer Stelle berührt. Deshalb wurde eine «Anlehnungsprüfung» (lean test) durchgeführt, um diese Überlegung zu untersuchen. Ein Untersatz des Hauptmatrix wurde mit der Welle wiederholt, die sich mit mehreren Graden aus der senkrechten Lage lehnte und eine externe Oberfläche derart berührte, dass ein Zustand der Pumpenwelle simuliert wurde, in weicher sie sich gegen die Pumpenlager lehnte.

In der Prototypenwelle ist ein Abnutzungsring vorhanden, welcher mit dem Lager an einigen Stellen in Berührung sein kann oder nicht. Deshalb war es notwendig, die Frequenzreaktion der Struktur für Nichtberührung und verschiedene Berührungspositionen zu finden und dann einen Vergleich durchzuführen. Während der Prüfung wurde ein Holzkeii zwischen dem Abnutzungsring und dem Lager an verschiedenen Stellen eingeschlagen, damit Berührung sichergestellt wurde. Der Widerstand zwischen dem Abnutzungsring und dem Lager wurde als Berührungsmass gemessen. Es war nicht möglich, eine komplette Nichtberührungsform physikalisch zu erreichen, weil immer eine Kontaktart rund um den Umfang infolge des sehr kleinen Spiels vorhanden war. Somit wurden verschiedene Berührungsformen geprüft und verglichen.

(d) Wirkung eines Ablenkteils und einer Kappenschraube

Zuunterst an der Welle und über dem Schaufelrad I befindet sich ein Ablenkkörper 35 und eine Kappenschraube 36, die entfernt werden müssen, damit ein Zugang zu den Schrauben zum Spannen und Entspannen geschaffen werden kann. Das Entfernen und die Wiedereinstellung der Kappenschraube nach jedem Prüfungpunkt benötigte etwa eine halbe Stunde und dies verlangte eine grosse Menge der gesamten Zeit in Anbetracht der insgesamt 140 Prüfungspunkte und der verschiedenen Sensitivitätsstudien. Somit wurde eine Entscheidung zum Vergleich der Frequenzreaktion mit und ohne den Ablenkkörper und die Kappenschraube getroffen, um festzustellen, ob sie für die gesamte Prüfungsdauer entfernt werden können.

(e) Schrauben mit Rissen

Die Prototypen wurden ferner hinsichtlich Schraubenkonfigurationen mit Rissen geprüft. Vier Schrauben hatten Viertelradius-Risse (QC) und vier Schrauben Halbradius-Risse (HC). Die Risse wurden bei allen acht Schrauben durch Rillen rund um den gesamten Umfang simuliert. Verschiedene Kombinationen von QC- und HC-Schrauben wurden geprüft, was insgesamt zu 28 verschiedenen Risskombinationen an Schraubenkonfigurationen führte. Die mit Rissen versehenen Schrauben wurden mit einem Höchstdrehmoment von 203 Nm angezogen, um einen Vorspannungsverlust infolge des Risses zu simulieren und um eine annehmbare niedere Schraubenspannung infolge des Risses wegen des angewandten Drehmomentes aufrechtzuerhalten.

(f) Wirkung von Hammer und Spitze

Verschiedene Hammer H und Spitzen T und zusätzliche Massen am Hammer wurden getestet, um eine passende Frequenzreaktion der Wellenstruktur zu erhalten. Die Resultate ergeben folgendes:

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io

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1. Für kleine Hammer lag der Kraftbereich zwischen 441 und 667 N, Für mittelgrosse Hammer wurde eine Kraft bis zu 4415 N erreicht.

2. Die Wirkung von zusätzlicher Masse besteht darin, eine höhere Kraft zu erreichen.

3. Gummispitzenresultate waren nicht zuverlässig.

Auf Grund der obigen Aussage wurde ein Hammer benutzt, der mit zusätzlicher Masse eine Kraft bis zu 4415 N erzeugen kann. Die Wahl der Spitze wurde nun auf eine Kunststoff- oder Stahlspitze reduziert. Die Kunststoffspitze gibt eine gute Frequenzreaktion nur bis zu etwa 1500 Hz. Stahl geht bis zu etwa 5000 Hz hinauf. Die Stahlspitze hinterliess aber Schlagmarken an der Oberfläche, während die Kunststoffspitze keine sichtbaren Marken hinterliess. Deshalb wurde entschieden, dass nur die Kunststoffspitze für alle kritischen Flächen (Umfangsteil der Welle) benutzt wird. Für die nichtkritischen Flächenteile, wie z.B. die Keilrinne und die obere Fläche der Welle, wurde die Stahlspitze benutzt.

Die Wahl des richtigen Hammers und der Spitze ist kritisch für die strukturellen Reaktionseigenschaften und Insbesondere für den verwendeten Frequenzbereich. Ein Hammer, der von der PCB Corporation hergestellt und unter der Modell Nr. GK 291B05 verkauft wird, wurde benutzt. Es wurden drei Hammertypen getestet, nämlich kleine, mittlere und grosse. Für die kleinen und mittelgrossen Hammer wurden drei verschiedene Spitzen getestet, nämlich aus Stahl, Kunststoff und Gummi. Für jede Spitze wurden Tests mit und ohne zusätzlicher Masse durchgeführt. In jeder Serie wurde ferner die Hammerkraft variiert, um die Wirkung von verschiedenen Hammerkräften zu studieren.

Resultate

Es wurden nach durchgeführter Prüfung die folgenden Resultate ermittelt:

1. Für die Prototypenwelle konnte ein Zustand mit einer oder mehreren losen Schrauben sicher ermittelt werden.

2. Die genaue Kombination von losen Schrauben kann nicht genau ermittelt werden, weil verschiedene Kombinationen zu einer resultierenden Frequenzantwort führen können. Eine qualitative Beurteilung auf eine Richtungsbasis kann aber durchgeführt und der Gesamtverlust der Vorspannung vorausgesagt werden.

3. Der wirksamste Frequenzbereich für eine Voraussage liegt im Berejch von 0 bis 500 Hz.

4. Die Frequenzen nach radialer Art sind die empfindlichsten auf Änderungen der Vorspannung der Schrauben.

5. Die vertikalen und torsioneilen Prüfarten reagieren nicht empfindlich auf Änderungen der Vorspannung der Schrauben.

6. Beschleunigungsmesser werden vorzugsweise an der Welle und nicht an der Kappe montiert. Es wird aber angenommen, dass dies nicht immer der Fall ist, und dass einige Installationen die Anordnung an der Kappe ermöglichen.

7. Die Berührung des Abnutzungsringes mit dem Lager hat keinen Einfluss auf die Reaktionsfrequenz.

8. Der Ableitkörper und die Kappenschraube reduzieren die Reaktionsfrequenz um 1 oder 2%.

9. Die richtige Hammer- und Spitzenwahl sind zum Empfang der richtigen Resultate sehr wichtig. Ein mittelschwerer Hammer mit einer Stahlspitze ist am besten für einen Aufschlag auf nichtkritischen Flächen der Welle, während ein kleiner Hammer mit einer Kunststoffspitze für Schläge auf kritische Flächen geeignet ist.

10. Das an einen Träger anlehnende Lager wird nicht die Reaktion der Welle nennenswert beeinflussen.

11. Die dynamische Reaktion der Welle ist von der Vorspannung abhängig, wobei die Anwesenheit von Rissen in den Schrauben nicht die dynamische Reaktion beeinflusst, sofern die Vorspannung aufrechterhalten wird.

12. Kleine Variationen im Gewicht des Schaufelrades I sowie in der Zentrierung seiner Masse beeinflussen ferner nicht die Gesamtreaktion.

13. Die Gesamtreaktion oder der Frequenzgang wird nicht nennenswert davon beeinflusst, ob die Welle gegen ein Lager anlehnt.

Datenerzeugung

Eine voluminöse Datenbasis von Vibrationssignalen wurde mit der flexibel aufgehängten Pumpenwelle (Kette oder Nylonband) erstellt. Die Pumpenwelle und deren Aufbau wurden aufgehängt, um einen freien Zustand zu simulieren. Ein freier Zustand wurde gewählt, um die analytische Arbeit (Randbedingungen und Modellaufbau) zu vereinfachen und die Zusammenwirkung des Schaufelrades (oder der Scheibe) mit dem Träger zu eliminieren, der im Falle des Prototypes der Boden sein würde, sowie des Pumpengehäuses (im Falle der letzten Prüfungen an den Pumpen A, B, C und D). Es war notwendig, die freien Grenzbedingungen für alle Prüfungen des Prototypes zu duplizieren.

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Die Reaktion oder Antwort der instrumentierten Pumpenwellen wurde durch Sensoren zuoberst an der Pumpenwelle ermittelt. Die Vibrationsamplitudensignale von den Sensoren wurden verstärkt und führten zu einer Sensitivität im Bereich von 1 bis 10 g pro Volt.

Die Anordnung der Sensoren sind in Fig. 2 gezeigt. Insgesamt 6 Dreiachsen-Beschleunigungsmesser, mit vier oben und je einen in den Keilrinnen, wurden benutzt. Alle Beschleunigungsmesser waren in Epoxy montiert.

Ein 30 m langes Kabel führte von den Pumpen zum Nachfüllboden, wo die Datenerwerbvorrichtung aufgestellt wurde» Die Signale von allen Sensoren wurden gleichzeitig während der Prüfung auf Magnetband aufgezeichnet. Für diesen Zweck wurden zwei Aufzeichnungsgeräte des Typs Honeywell 101 verwendet. Ein Doppelkanal-Spektrumanalysator wurde für den Datenerwerb und die Reduktion benutzt. Die Qualität von Hammerschlägen wurde dadurch beurteilt, dass der Kraftimpuls an den Kanal und die Reaktion am zweiten Kanal beobachtet wurde. Die Anzahl der Schläge wurde durch die zusammenhängende Funktion bestimmt, die vom Spektrumanalysator berechnet wurde. Normalerweise wurden 5 bis 10 Schläge für jede Stelle und Richtung ausgeführt.

Vergleich der Testresultate mit den analytischen Resultaten

Ein Computermodell wurde durch Verwendung von SUPERTAB gebaut und ein interaktives Graphikprogramm wurde von der GE/CAE für die Konstruktion von feinen Elementmodellen und die Anzeige von analytischen Resultaten entwickelt. Das Computermodell war für den Prototypenzusammenbau der Pumpenwelle, das Lager, die Lagerkappe und das Schaufelrad vorgesehen.

Der Zweck der Computeranalyse bestand darin, Einsicht in die dynamische Bewegung des Prototyps zu gewinnen. Dabei hat das Prototyp-Testen einige Fragen betreffend die dritte radiale Art und die Torsionsfrequenzen aufgeworfen, dass die Erkenntnis der Art notwendig ist, um das ganze zu verstehen.

In den Fig. 5 und 6 zeigen die Prototypendaten, dass die Reaktionsfrequenz für jede einzelne Art eine zunehmend geringere Steigerung des Schraubendrehmoments für Drehmomente mit hohen Werten. Dies zeigt, dass der Trend im 0 bis 814 Nm-Bereich andeutet, dass die natürliche Frequenz asymptotisch einen konstanten Wert an Drehmomenten oberhalb von 814 Nm erreicht. Dabei ist z.B., bei gegebener observierter Form die erste radiale Art erwartungsgemäss nicht viel höher als 123 Hz, welcher Wert bei 814 Nm beobachtet wird. Es wurde festgestellt, dass die zweite und vierte, nicht gezeigten Betriebsarten anscheinend einen Weg zu gehen haben, bevor sie ihren asymptotischen Wert erreichen. Die dritte, nicht gezeigte Betriebsart hat andererseits ihren asymptotischen Wert bei 203 Nm sehr schnell erreicht. In der folgenden Tabelle sind die Prototypendaten bei einer Vorspannung von 812.3 oder 814 Nm mit den Modellresultaten verglichen:

Das Computer-erzeugte Modell wurde durch Verwendung von Modelltests verbessert. Von diesem verbesserten Modell konnten genauere Voraussagen vom Computermodell gemacht werden. Wenn beispielsweise die angenommene lose Schraube sich nicht in einer Pumpe befand, die bei einem Kunden geprüft wurde, war es möglich, den allgemeinen Bereich von einem anderen Fehler vorauszusagen, was in diesem Falle auf Risse in einer Lagerschale zurückzuführen war.

Allgemeine Schlüsse

Übereinstimmend mit den obigen Feststellungen ist die Vorspannungs-empfindliche erste, zweite und vierte Radialart geringer als das «extrem satte» starre Modell. Deshalb würde das Modellieren von allen satten Bedingungen eine kontinuierliche, gemeinsame Fläche oder eher eine starre gemeinsame Fläche in demjenigen Fall darstellen, in dem alle vier radialen Frequenzen ihre asymptotischen Werte erreicht haben, wobei die Schrauben Drehmomente aufweisen, die bedeutend über 814 Nm liegen. Die dritte Art ist aber niedriger für das Modell, verglichen mit dem Versuch. Dieser Unterschied von 2% ist relativ klein und deshalb kann das Experiment und die Analyse als praktisch gleich befrachtet werden.

Da die dritte Art von den anderen Arten vollständig abweicht, ändert sie nicht für das erhöhte Schraubendrehmoment oberhalb von 203 Nm während der Prototypen-Prüfung. Die Analyse offenbart, warum dies so ist. Wenn die Modellart bei dieser speziellen Frequenz betrachtet wird, liegt die Primärvi-bration weit über der Trennfläche zwischen dem Schaufelrad und dem Strahl, wobei die Lagerfläche als

Radialart 814Nm-Testresultat Computeranalyseresultat

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Trägheitsanker dient. Deshalb beeinflussen Änderungen innerhalb der statischen Zone (d.h. lose Schrauben) nicht die Steifheit der Vibrationszone, so dass die Frequenz erwartungsgemäss nicht die gemeinsame Steifheit ändern würde.

Die Modellanalyse wurde durchgeführt, um die Datenauslegung und die Hypotheseauswertung zu unterstützen. Die bei Verwedung der Analyse erzielten Folgerungen waren wie folgt:

1. Eine zerbrochene Lagerschale kann sowohl die radiale als auch die tangentiale Frequenz bedeutend senken.

2. Eine lose Lagerschale kann sowohl die radiale als auch die tangentiale Frequenz bedeutend senken.

3. Die analytischen Frequenzen sind bedeutend höher als der Versuch infolge der starr modellierten Verbindungssektion.

4. Die dritte radiale Art und alle torsionellen Arten sind bezüglich der Schraubenvorspannung nicht empfindsam.

5. Die dritte radiale Art und alle torsionellen Arten sind empfindlich bezüglich losen Lagerschalen oder Rissen in diesen.

Die Spannungsanalyse wurde durchgeführt, um die Variationen des Druck-Spannungsprofils rund um jede einzelne Schraube mit Vorspannung und der Wirkung von Schraubenrissen zu studieren. Die Konklusionen aus der Spannungsanalyse sind wie folgt:

1. Jede Schraube und Änderung des Kompressions-Spannungsprofils ist nichtlinear bezüglich der Vorspannung der Schraube. Für eine 50%-ige Zunahme der Vorspannung ist nur eine 20%ige Reduktion im Radius der Berührungszone vorhanden.

2. Grosse Risse können in den Schrauben mit nur geringer Reduktion der Vorspannung oder Klemmkraft vorhanden sein. Deshalb ändert die dynamische Reaktion der Vorrichtung nicht viel, wenn Risse vorhanden sind, sofern sie nicht sehr tief sind.

Das methodische Vorgehen besteht aus der Kennzeichnung der strukturellen dynamischen Reaktion als Funktion der Schraubenvorspannung, wodurch eine Databasis erzeugt und dann die strukturelle dynamische Reaktion der Pumpe mit der Database verglichen wird. Die Kennzeichnung der dynamischen Reaktion, wie die Frequenzen und die Artformen, variieren nicht nur mit der Vorspannung, sondern auch mit einem beliebigen Parameter, der die Steifheit der Struktur in bezug auf Risse oder lose Befestigung an der Welle, an der Lagerschale oder am Schaufelrad beeinflusst. Wenn nur ein Parameter, wie beispielsweise die Vorspannung, variiert, während die anderen Parametern konstant sind, können genaue Aussagen hinsichtlich der Vorspannung getätigt werden. Wenn auch andere Parameter variieren, ist es schwierig, die Wirkungen von jedem Parameter zu trennen, und detaillierte logische Untersuchungen sind erforderlich, um den Beitrag von jedem Parameter zu isolieren.

Für den Fall, dass die Vorspannung den einzigen beeinflussten Parameter darstellt, kann der Zustand von 1 oder mehreren losen Schrauben mit Sicherheit festgestellt werden. Die genaue Kombination von losen Bolzen kann deshalb nicht ermittelt werden, weil verschiedene Kombinationen zu einer Frequenzreaktion führen können. Es ist aber möglich, eine qualitative Beurteilung auf Richtungsbasis durchzuführen, wobei der gesamte Verlust der Vorspannung vorausgesagt werden kann. Für die betrachteten Pumpenwellen sind die wirksamsten Indikatoren die radiale Prüfungsart. Die axiale und die torsioneile Prüfung sind nicht empfindlich hinsichtlich Vorspannungsänderungen. Kleine Variationen in der Schaufefradmasse sowie die Berührungen der Lagerschale bezüglich der Lager beeinflussen nicht den Frequenzgang der Welle.

Die bei Arbeiten bei Kunden erhaltenen Prüfungs- und die Analysedaten deuten an, dass die Pumpe A die grösste Frequenzabweichung vom Prototyp aufweist, die von derjenigen der Pumpe B, Pumpe D und Pumpe C gefolgt wird. Deshalb wurde entschieden, die Pumpe A zu zerlegen. Die Daten deuten ferner an, dass alle Schrauben an den Schaufelrädern eine Spannung aufweisen, die einem Drehmoment von mehr als 409 Nm entsprechen. Abzüge von der Datenanalyse zeigen ferner, dass die Lagerflächen in den Pumpen A und B flexibler sind als diejenigen von C und D. Eine Zerlegung der Pumpe A zusammen mit Verfahrenseinstellungen, die beim Test verifiziert wurden, zeigen ein Verfahren, das für künftige Anwendungen entwicklungsfähig ist.

Vorangehend wurde eine induzierte Vibration einer Pumpe mit einem vollständig geleerten Gehäuse beschrieben. Es wird aber darauf hingewiesen, dass der Test auch an einem Gehäuse durchgeführt werden kann, das ganz oder teilweise geflutet ist. Eine solche Flutung bildet einen beobachteten Grenzzustand. Natürlich würde die einzige Begrenzung darin bestehen, dass das Modell Vibrationen aufweist, die unter den gleichen, ganz oder teilweise gefluteten Grenzbedingungen übertragen wurden.

Vorangehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, die sich auf eine Pumpe mit vertikaler Welle bezieht. Das Verfahren ist aber ebensogut auf Pumpen und Turbinen mit horizontaler Aufhängung anwendbar.

Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Senkrechte in den Gehäuse-Randbedingungen der tatsächlichen Pumpe geändert wurde, um den Aufhängungs-Randbedingungen des Modells zu entsprechen. Als Alternative können die Randbedingungen des Modells geändert werden, um den Randbedingungen der

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tatsächlichen Pumpe zu entsprechen. Ferner können beide Randbedingungen geändert werden, sofern die endgültigen Randbedingungen der Aufhängung vergleichbar sind.

Es ist eine übliche Bedingung, dass die Grenzbedingungen innerhalb der Pumpe besonders schwer zu ändern sind. Deshalb ist es ein üblicher Fall, dass die Grenzbedingungen des Modells an die üblichsten Grenzbedingungen in der eigentlichen Pumpe angepasst werden.

Während eines Teils der Entwicklung der hier beschriebenen Prüfung wurde festgestellt, dass es ideal wäre, wenn eine im voraus instrumentierte Kappe am Ende der Pumpe befestigt werden könnte. Diese Kappe könnte dann sowohl als Anschlagstelle für den instrumentierten Hammer, als auch als Befestigungsstelle für die Beschleunigungsmesser benutzt werden. Leider bedeutet die Befestigung der Kappe eine zusätzliche, gemeinsame Fläche. Die Wirkung dieser gemeinsamen Fläche war nicht immer nachvollziehbar. Es wurde festgestellt, dass die Befestigung des Beschleunigungsmessers direkt an der Welle für die Wiedergabe von Resultaten zweckmässiger war. Ferner wurde die Kappe beim Anschlagen der Welle nur zur Erzeugung von Vibrationen benutzt. Längs- und Radialvibrationen wurden dadurch erzeugt, dass die Welle direkt in nichtkritischen Bereichen angeschlagen wurde, wo irgendwelche Narben vom Hammer nicht den Zusammenbau des Pumpenbetriebs beeinflussen würde.

Im hier beschriebenen Test wurde die Kappe für die Ausführung des Tests benötigt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Kappe in vielen Tests nicht benötigt wird. Beispielsweise können bestehende Bohrungen innerhalb der Welle und des Flügelrades oder des Rotors verwendet werden. Ferner kann dort, wo die Welle nicht dauernd beschädigt wird, ein Loch für die erforderliche Aufhängung angeordnet werden.

Ferner wird darauf hingewiesen, dass eine extrem grosse Databasis erzeugt wurde, wobei nur ein kleiner Anteil der Datenbasis hier veröffentlicht wurde. Weil solche Datenbasen nur auf spezielle Fälle anwendbar sind und weil ferner diese Beschreibung deutlich erläutert, wie solche Datenbasen erzeugt werden können, werden hierzu keine weitere Angaben gemacht.

Es wird zudem darauf hingewiesen, dass die «Observation» der Grenzbedingungen der Aufhängung in einer installierten Pumpe eine Bezugnahme auf Herstellungsdaten, Zeichnungskopien und derartige Unterlagen beinhaltet. Der Ausdruck «Observation» ist in diesem Sinne zu verstehen.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zur zerlegungsfreien Prüfung einer Welle mit einem Flügelrad, die in einem Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass man:

a) die im Gehäuse eingeschlossene Welle und das Flügelrad in einen statischen Zustand anordnet, sie überwacht und die Randbedingungen feststellt,

b) ein Modell der Welte und des Flügelrades ausserhalb des Gehäuses aufhängt und die beobachteten Randbedingungen der Aufhängung dupliziert,

c) das aufgehängte Modell mit den duplizierten Randbedingungen der Aufhängung in Vibrationen versetzt,

d) gleichzeitig mit dem Vibrieren des Modells befürchtete Fehler der eingeschlossenen und aufgehängten Welte und des Flügelrades am Modell der Welle und des Flügelrades reproduziert,

e) das Kennsignal der Vibration am Modell an der Welle und am Flügelrad analysiert und das Signal mit den reproduzierten Fehlem vergleicht,

f) die Welle und das Flügelrad im aufgehängten Gehäuse zerlegungsfrei in Vibrationen versetzt,

g) die Vibrationssignale der Welle und des Flügelrades im Gehäuse analysiert, und h) das Vibrationssignal des Modells der Welle und des Flügelrades mit dem Vibrationssignal der im Gehäuse eingeschlossenen Welle und des Flügelrades vergleicht, um den strukturellen Zustand der aufgehängten Welle und des Flügelrades festzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängungsstufe b) das Aufhängen eines Ersatzteils der im Gehäuse eingeschlossenen Welle und des Flügelrades einschliesst.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsstufen c) und f) das Anschlagen mit einem mit Instrumenten versehenen Hammer einschliesst.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsstufen c) und f) eine Vibration bei natürlichen Frequenzen einschliesst.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsstufen das Vibrieren der Welle beabstandet vom Flügelrad einschliesst, um Fehler in der Nähe des Flügelrades zu ermitteln.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die Konstruktion eines Modells der Welte und des Flügelrades einschliesst.

7. Verfahren nach Anspruch 1 einer eingeschlossenen Welle mit Flügelrad, das von einem darüberlie-genden, an der Welle angekuppelten Motor angtrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass man a) die Kupplung entfernt,

b) die Welle und das Flügelrad vom Motor relativ zum Gehäuse aufhängt und deren Randbedingungen feststellt,

c) ein Modell der Welle und des Flügelrades ausserhalb des Gehäuses aufhängt und deren festgestellten Randbedingungen dupliziert,

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d) das aufgehängte Modell mit den duplizierten Randbedingungen der Welle und des Flügelrades in Vibrationen versetzt,

e) gleichzeitig mit dem Vibrieren des Modells befürchtete Fehler der Welle und des Flügelrades am Modell der Welle und des Flügelrades reproduziert,

f) die Vibrationssignale des Modells der Welle und des Flügelrades analysiert und diese Signale mit den erzeugten, befürchteten Fehlern vergleicht,

g) die aufgehängte Welle und das Flügelrad in Vibrationen versetzt, ohne sie aus dem Gehäuse zu entfernen,

h) die Vibrationssignale der Welle und des Flügelrades analysiert, und i) die Vibrationssignale des Modells mit den Vibrationssignalen der aufgehängten Welle und des Flügelrades vergleicht, um den strukturellen Zustand der im Gehäuse befindlichen Welle und des Flügelrades zu bestimmen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgehängte Modell ein Ersatzteil für die eingeschlossene Welle und das Flügelrad ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Stufe b) zum Aufhängen der Welle und des Flügelrades vom Motor relativ zum Gehäuse erst nach der Vibrierung des Modells durchgeführt wird.

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