DD158581A1

DD158581A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur schwingungsueberwachung rotierender maschinen

Info

Publication number: DD158581A1
Application number: DD22982481A
Authority: DD
Inventors: Wolfram Schneider; Manfred Weigel; Roland Krannich; Juergen Pisarz
Original assignee: Wolfram Schneider; Manfred Weigel; Roland Krannich; Juergen Pisarz
Priority date: 1981-05-08
Filing date: 1981-05-08
Publication date: 1983-01-19

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf breitbandige und selektive Schwingungsueberwachung zur Diagnose des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens von insbesondere thermischen Turbomaschinen. Mit dem Ziel der Schadensfrueherkennung steht die Aufgabe, neben Betraegen von Summenpegelwerten und von harmonischen Schwingungsanteilen vordergruendig den komplexen Charakter der harmonischen Schwingungsanteile fuer die Diagnose heranzuziehen. Verfahrenstechnisch werden nach der Erfindung im wesentlichen die Veraenderungen der Pegelsummenwerte und die vektoriellen Veraenderungen der komplexen harmonischen Schwingungen im Zeitintervall gegenueber Bezugspegelwerten und komplexen harmonischen Bezugsanteilen verglichen und ausgewertet. Die Schaltungsanordnung der Erfindung umfasst im wesentlichen elektronische Mittel zur Aufbereitung und Verarbeitung von Schwingungssignalen mit einem Rechnersystem und Mittel zur messtechnischen Darstellung von verfahrenstechnisch interessierenden Veraenderungen im Schwingungsbild (Schwingungsdiagnostik).

Description

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Titel der Erfindung

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Schwingungsüberwachung rotierender Maschinen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur breit bandigen und selektiven Schwingungsüberwachung für die Diagnose des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschine (Maschinenschwingungsdiagnostik), insbesondere thermischer Turbomaschinen, mit dem Ziel der Schadensvermeidung, Schadensfrüherkennung und Verhinderung von Folgeschäden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Ermittlung der kennzeichnenden Größen für die Beurteilung des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen sind Verfahren entwickelt worden, welche die Messung der Schwingungen der zu überwachenden Maschine und den Vergleich mit Schwingungen gleicher oder ähnlicher Art oder mit Schwingungen eines Modells oder Kenntnissen aus früheren Maschinenuntersuohungen einbeziehen und gegebenenfalls internationale Normen und Richtlinien berücksichtigen. Im allgemeinen werden für die Überwachung und Diagnose vier grundsätzliche Verfahrensweisen angewendet, und zwar die breit bändige Messung und¹ Beobachtung dea Schwingung3-3um~ menpegels (übliche Verfahrensweise), die Messung und Beobachtung des Schwingungs-Summenpegels mehrerer interssierender schmaler Frequenzbereiche, die Messung und Beobachtung der

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Einzelpegel mehrerer schmaler Frequenzbereiche und die selektive Messung und Beobachtung der Pegel einzelner Frequenzkomponenten in einem Frequenzbereich mit Hilfe einer Spektralanalysiereinrichtung. Die drei letztgenannten Verfahrensweisen sind bisher wenig verbreitet, da der Aufwand an konventioneller Elektronik relativ groß ist. Durch Erfahrung ist bekannt, oder es kann durch eine Reihe spezieller Untersuchungen festgestellt werden, daß bestimmte Mangel oder Fehler einer speziellen Maschinenanlage "Spuren" (Veränderungen) im Spektralbild hinterlassen, die mit Hilfe selektiv arbeitender Meßgeräte.(z.B. schmalbandige elektronische Filter) herausgefunden werden können, ohne daß sich häufig der Summenpegel merklich ändert. Aus diesem Grunde sind- die. Verfahren, die die Beträge einzelner Schwingungsanteile für die Beurteilung des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen ermitteln und berücksichtigen, den Verfahren, die die Pegelwerte von Frequenzbereichen überwachen, eindeutig überlegen. Bei den dem Stand der Technik entsprechenden Diagnoseverfahren werden mit speziellen Anordnungen (Filter) interessierende Schwingungskomponenten erfaßt, ihre Beträge bestimmt und mit Bezugswerten (Werte des Neu- oder Normalzustandes) sowie Grenzwerten verglichen, wodurch das Vorhandensein verschiedener Mangel und Fehler festgestellt werden kann. Bei den modernsten Anordnungen ist realisiert, daß sich die Filter automatisch exakt mit ihrer Mittenfrequenz auf die Drehfrequenz der __ Maschine oder deren höhere Harmonische einstellten (Mitlauffilter). Aus dem Frequenzgemisch werden somit von der Drehzahl der Maschine abhängige Schwingungsanteile ausgesiebt und ihre Beträge angezeigt. Eine solche Anordnung ist bekannt durch die DEvOS 2315 806 in IPK G 01 N, 7/00*

Bei dieser dem Stand der Technik entsprechenden näherungsweisen Lösung ist Voraussetzung, daß die Beträge der für Fehler und Mängeltypischen Schwingungsanteile im Normaloder Neuzustand (Bezugswerte) gegenüber denen infolge von auftretenden Mangeln und Fehlern vernachlässigbar klein sein müssen. Dadurch,daß die harmonischen Schwingungsanteile

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komplexe Größen sind, ergeben sich bei Nichterfüllung der genannten Forderung bei der bisher üblichen reinen betragsraäßigen Beobachtung der Schwingungsanteile nur ungenaue

Diagnosen* - :...--.

Bei Vernachlässigung der Phaseninformation sind die Veränderungen von harmonischen Schwingungsanteilenmit einem unbekannten ^Fehler zwischen O und 200 <%> der Beträge der Bezugswerte behaftet· Demzufolge reichen diese Aussagen für eine umfassende Maschinendiagnose speziell bei thermischen Türbomaschinen nicht aus.

Bei den dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren und Einrichtungen ist nach der Größe der Beträge der Bezugswerte dem Zufall überlassen (Art der vektoriellen Änderung), ob kleinere Schaden und Mängel sowie Schäden im Frühstadium erkannt werden können.

Ziel der Erfindung .

Mit der erfindungsgemäßen Lösung soll allgemein eine aussagefähigere Beurteilung des mechanischen Zustand es und des Betriebsverhaltens von rotierenden Maschinen, insbesondere von thermischen Turbomaschinen, erreicht werden, als es mit bisherigen Verfahren und Einrichtungen zur kontinuierlichen Sohwingungsüberwachung und Maschinendiagnose möglich war. Konkret soll die erfindungsgemäße Lösung geeignet sein, einerseits dem Bedienpersonal präzisere Informationen über das Betriebsverhalten und sich entwickelnde Störungen und Schaden zu geben, um Schaden zu vermeiden, Folgeschäden weitestgehend zu verringern und andererseits in geeigneter Weise die Möglichkeit bieten, direkt in die bestehenden automatischen Schutz- und Überwachungsverfahren einbezogen zu werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Zur Erreichung der Zielstellung steht die Aufgabe, neben der auf Beträgen von Summenpegelwerten und Beträgen von" harmonischen Schwingungsanteilen ausgerichteten Diagnose den komplexen Charakter der harmonischen Schwingungsanteile und den daraus resultierenden erhöhten Informationsgewinn aus Schwingungsmeßsignalen zu berücksichtigen.

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In Realisierung der verfahrenstechnischen Seite der Aufgabe bestehen unter Würdigung des Standes der Technik, wonach bestimmte herausgefilterte Sohwingungskomponenten des Schwingung a spektrums elektronisch aufbereitet und mit einem Bezugssignal verglichen «erden, die Srfindungsmerkmale darin, daß die breit bandigen Summenpegel der herausgefilterten Frequenzbereiche, die Beträge der zur Drehfrequenz harmonischen Schwingungsanteile und die Phasenlagen von markanten Punkten der Zeitverläufe der harmonischen Schwingungsanteile zu einem Bezugssignal, dem eine bestimmte radiale Rotorstellung entspricht, die Veränderungen der Summenρegelwerte und die vektor iellen Veränderungen der komplexen harmonischen Schwingungsanteile, sowohl im Zeitintervall (Transienten) als auch gegenüber Bezugspegelwerten und komplexen harmonischen Bezugsanteilen gleicher Ordnung, die dem Heu- oder Normalzustand bei bestimmten Betriebsparametern entsprechen, ermittelt, zur Anzeige gebracht, mit Grenzwerten verglichen und Warnsignale bei Überschreitung von Grenzwerten abgeleitet werden. Zur Durchführung des Verfahrens besteht die schaltungsteohnische Lösung der Aufgabe im wesentlichen darin, daß eine oder in der Regel mehrere Schwingungsaufnehmer zum Erzeugen von elektrischen Signalen in Übereinstimmung mit den Maschinenschwingungen während ihrer Rotation vorhanden sind, wobei die elektrischen Signale entweder direkt einem steuerbaren Meßstell enumsoha It er oder über meßsignalverarbeitende Baugruppen eines bekannten breitbandigen Schwingungsübefwachungssystems zwei steuerbaren Meßstellenumschaltern zugeleitet werden, wobei die durchgeschalteten gleichgerichteten Summenpegel-Signale direkt und die Wechselspannungssignale über ein Tiefpaßfilter mit steuerbarer Grenzfrequenz zu einem Umschalter und von dort über einen steuerbaren Normierverstärker auf den Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers gelangen. Es ist weiterhin der Analog-Digital-Umsetzer über einen Umschalter entweder durch ein von einem Drehfrequenzaufnehmer abgeleitetes, in einem Impulsformer normiert as und von einem Frequenzumsetzer vervielfachtes sowie von einem bistabilen Speicher untersetztes, drehzahlabhängiges und phasenstarr mit der Rotordrehbewegung gekoppeltes Ecequenzsignal oder durch eine von einer

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Zeitgeber-Zähler-BaugruOPe abgeleitete^ über ein Interface von einem Rechner ausgebbaren und programmiert veränderbare, zeitlich konstante Taktfrequenz "ansteuerbar. Darüber hinaus sind "spezielle' Steuerschaltungen vorgesehen, die zur Umschaltung der Meßstbllen- und anderen Umschalter sowie zur steuernden Beeinflussung des Tiefpaßfilters und des Normierverstärkers dienen. Die Steuerbausteine sind eingangsseitig, der Analog-Digital-Umsetzer und der Frequenzumsetzer ausgangsseitig über ein Interface mit dem Bussystem eines Rechners gekoppelt. An das Bussystem sind Speicher für die Aufnahme der Steuer- und Verarbeitungsprogramme der konstanten und variablen Parameter der Meß- und Diagnosewerte sowie Einrichtungen zur Ausgabe der Meß- und Diagnoseergebnisse in analoger und digitaler Form und eine Tastatur zur Kommunikation mit dem System, angeschlossen.

Weitere Merkmale, die die Ausgestaltung der Schaltungsanordnung betreffen, sind im entsprechenden Teil des Erfindungsanspruchs erwähnt und im nachfolgenden Ausführungsbeispiel erläutert.

Mit der Erfüllung dieser Zielstellung ist es nunmehr möglich, daß

- eine exakte Ermittlung der Mascb.inendrehfreq.uenz,

- eine Ermittlung der komplexen harmonischen Schwingungsanteile (Beträge und relative Phasenlagen) mit Drehfrequenz und deren Vielfache bei beliebiger Drehzahl der Maschine,

- eine Ermittlung der vektoriellen Veränderungen der"einzelnen komplexen harmonischen Schwingungsanteile, sowohl im Zeitintervall (Transienten) als auch gegenüber komplexen harmonischen Bezugsanteilen gleicher Frequenz, die dem Neu- oder Normalzustand bei bestimmten Betriebsparametern entsprechen,

- eine Umrechnung der Beträge der komplexen harmonischen Wellen- und Lagerschwingungsanteile durch nummerische Integration oder Differentiation in eine beliebige gleiche Meßgröße sowie die Bildung der Verhältnisse Wellen- zu Lagerschwingungen und

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- ein "Vergleich der aktuellen Werte mit Grenzwerten und eine Signalisat ion von Überschreitungen

durchgeführt werden kann.

Ausführungsbeispiel

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nachstehend eine bevorzugte Ausführungsform für die erfindungsgemäße Lösung dargestellt.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: die perspektivische Meßstellenanordnung an einem Turbosatz (obere Teil) in funkt lonelier Verbindung mit einem Blockschaltbild eines breitbandigen Schwingungs-Überwachungssystems (mittlerer Teil) und einem vereinfachten Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Schwingungsüberwachungssystems (unterer Teil);

Fig. 2: ein detailliertes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Schwingungsüberwachungssystems;

Fig. 3: eine Grafik zur Darstellung der erfindungsgemäß zu überwachenden komplexen Schwingungsanteile.

Die Schwingungen einer zu überwachenden und zu diagnostizierenden rotierenden Maschine werden durch eine Mehrzahl von Schwingungsaufnehmern la erfaßt. Die Schwingungsaufnehmer 1a können auf den Lagergehäusen angebrachte piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer oder elektrodynamische Geschwindigkeit sauf nehmer und/oder berührungslose Wellensohwingungsaufnehraer, die nach kapazitiven, induktiven oder auf Wirbelstromverlust en basierenden Meßverfahren arbeiten, sein. Die elektrischen Ausgangssignale der Schwingungsaufnehmer 1a bzw. der den Schwingungsaufnehmer 1a zugehörigen Anpaßbausteine 1b gelangen an den Verstärker 2 des jedem Schwingungsaufnehmer 1a zugeordneten und völlig selbständigen breitbandigen Schwingungsüberwachungsgerät es· In Fig. 1 ist zur Vereinfachung nur ein Meßkanal dargestellt. Die Überwachungsgeräte realisieren in analoger Meßwertverarbeitung die internationalen Standards entsprechende breitbandige Echtzeitüberwachung einer bestimmten Meßgröße auf Grenzwertüberschreitung,

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Die Überwachungsgeräte besitzen einen nahezu vom Aufnehmertyp unabhängigen prinzipiellen Aufbau. Geringfügige Unterschiede sind durch mögliche elektrische Signalintegration bei Lagerschwingungsaufnehmern und Bandpaßfilterung des Meßsignales gegeben·

Im einzelnen sind für ein Überwachungsgerät außer dem Schwingungsaufnehmer 1a folgende ^unktionselemente typisch:

- Verstärker 2

- Integrator 3, um im Bedarfsfalle das gemessene Signal in das zu überwachende umzuwandeln

- ein oder mehrere Bandpaßfilter 4, um unwichtige Teile des Spektrums zu unterdrücken

- Gleichrichter 5 zur Quantifizierung des Wechselspannungssignales (es wird ein dem Spitze-Spitze-, Spitze- oder Effektivwert proportionales Gleichspannungssignal gebildet)

- Zeigerinstrument 6 oder Ziffernanzeige zur Anzeige des zu überwachenden Parameters \

- Signalauswertebausteine 7 (Schwellwertschalter) zur Klassifizierung des Betriebszustandes und für die Ableitung τοη Kontroll- und Warnsignalen

- Bausteine 8 für die Realisierung τοη Warnsignalen und Schutzmaßnahmen

- Test oszillator 9 zur Kalibrierung der gesamten Meßeinriohtung. . '

Nach dem erfindungsgemäßen System zur diagnosegerechten Weiterverarbeitung werden die von den Sohwingungsaufnehmern 1a gelieferten Meßsignale nach dem Gleichrichter 5 einem Meßstellenumschalter 10 zugeführt. Die Wechselspannungssignale nach dem Verstärker 2 oder nach dem Integrator 3 oder nach dem Bandpaßfilter 5 gelangen zu einem Meßstellenumschalter Gleichzeitig können über Anpaßschaltungen 70 am Meßstellenumschalter 10 analogs Signale für Meßgrößen verschiedener technologischer Parameter (z.B.. Wirkleistung und Erregerstrom von Generator, Lagertemperaturen, Absolut- und Relativdehnungen von Turbinen) anliegen, die für die Interpretation von Diagnoseparametern relevant sind.

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Abhängig von der Stellung eines Umschalters 13 gelangt entweder das vom Meßstellenumschalter 10 durchgeschaltete Signal direkt oder das vom Meßstellenumschalter 11 durohgeschaltete Signal über ein steuerbares (vorzugsweise digitales) Tiefpaßfilter 12 zu einem Umschalter 13 und von dort über einen Normierverstärker 14 mit steuerbarer Verstärkung zur Meßsignalnormierung der unterschiedlichen Signalpegel zum Analog-Digital-Umsetzer 15, wo eine gesteuerte Digitalisierung des Analogsignales erfolgt. Mittels bekannter Steuerschaltungen-16; 17; 18, die über ein Interface 19 (ijusanpassung) an das Bussystem 50 eines Rechners 51, vorzugsweise Mirkrorechner, angeschlossen sind, werden die Umschaltung der Meßstellenumschalter 10; 11 auf bestimmte analoge Singangskanäle, die Umschaltung der Umschalter 13; 34, die Umschaltung der Verstärkung des Wormierverstärkers 14 und die Steuerung des Tiefpaßfilters 12 realisiert. In Zusammenarbeit mit dem "Rechner 51, Bussystem 50 und Interface 19 erfolgt die Übernahme der digitalisierten Meßwerte vom Analog-Digital-Umsetzer 15 über den Rechner 51 in einen Speicher 52. Außerdem erfolgt auch die Übernahme des an einem Frequenzumsetzer 32 eingestellten MuIt iplikat ionsfakt.ors durch den Rechner 51» Für die Ermittlung der exakten Maschinendrehzahl zur Steuerung des Tiefpaßfilters 12 und zur Meßgrößenumrechnung sowie als rotorfester Phasenbezug für die Steuerung des Analog-Digital-Umsetzers 15 zur phasenstarren Abtastung der Schwingungssignale werden vom Maschinenrotor drehfrequente Signale (1 Impuls pro Rotorumdrehung) mittels eines fotoelektrischen Referenzgebers 30 (Abtastung einer Hell- oder Dunkelmarke), Wirbelstrom- oder Induktivaufnehmers abgeleitet, die im Impulsformer 31 normiert und im Frequenzumsetzer 32 vervielfacht werden· Diese Inipulssignale werden in einem bistabilen Speicher 33 untersetzt und abhängig von der Stellung des Umschalters 34 zur phasenstarr mit der Rotordrehbewegung gekoppelten Abtastung der am Analog-Digital-Umsetzer 15 anliegenden analogen Wechselspannungssignale genutzt.

Der Umschalter 34 ermöglicht außerdem auch eine Wandlung aller am Analog-Digital-Umsetzer 15 anliegenden Gleioh- und ?/echselspannungssignale mit einer rechnerseitig programmierbaren

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konstanten Taktfolge. Für ihre Erzeugung wird die Rechnertaktfrequenz § im Frequenzumformer 35 im Verhältnis 1 : i untersetzt und in den Zähler 36 eingezählt. Die Zähler 36; .38 können als Tor- oder Rückwärtszähler ausgebildet sein, was > auoh in der weiteren Erläuterung stets so angenommen wird. Im Zähler 36 wird ein Zählerstand Z eingeschrieben, der der gewünschten Taktzeit

T = Z · ^l I

für die Signalumsetzung im Analog-Digital-Umsetzer 15 entspricht. Beim STulldurchgang des Zählers 36 wird ein Impuls abgeleitet, der den Analog-Digital-Umsetzer 15 steuert. Dieser Vorgang wird kontinuierlich wiederholt.

Die Drehzahl der Maschine wird mittels des Frequenzumsetzers 35, des Zählers 36, eines elektronischen Tors 37 und des Zählers 38 in "Verbindung mit dem Rechner 51, dem Bus sy st em 50 und einem Interface 39 auf folgende Weise ermittelt: Der Frequenzumsetzer 35 und der Zähler 36 erzeugen wie bereits erläutert eine gewünschte Taktzeit, die für die Steuerung des Tores 37 genutzt wird. Beim Nulldurchgang des Zählers 36 wird das elektronische Tor 37 geöffnet bzw. geschlossen. Bei der Schließung des elektronischen Tores 37 erniedrigen die im Frequenzumsetzer 32 -vervielfachten Impulse den im Zähler 38 Toreingestellten Zählwert solange, bis das elektronische Tor 37 wieder geöffnet wird. Aus der Differenz der Zählerstände A Z ergibt sich durch Berechnung mit dem Rechner 51 gemäß

^{f =} Λ Z bzw. η = Λ Ζ , 60 T ' ±_Ζ/±_Λ T .

die zu ermittelnde Drehfrequenz f bzw. Drehzahl n. In der praktischen Ausführung werden Frequenzumformer 35, Zähler 36; 38 und Interface 39 zweckmäßigerweise durch einen hochintergrierten Zeitgeber-Zähler-Schaltkreis 41 realisiert * Zur phasenstarr mit der Drehbewegung der Maschine gekoppelten Abfrage des Analog-Digital-Umsetzers 15 wird eine auf das Bussystem 50 geschaltete busangepaßte Interruptlogik 40 in

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einer solchen Verknüpfung verwendet, daß am Beginn einer jeden selektiven Signalverarbeitung ein vom Impulsformer 31 ausgelöstes Interrupt-Signal INT 1 den Programmstart für die erste (Definition eines rotorfesten Phasenbezuges) und ein vom bistabilen Speicher 33 ausgelöstes Interrupt-Signal IKT 2 die laufende Abfrage, Übernahme und Speicherung der am Analog-Digital-Umsetzer 15 anliegenden digitalisierten Analogwerte realisiert.

Zum Rechnersystem gehören Speicher 52 für Programme, Parameter, Meßwerte, Bezugswerte und Grenzwerte, weiterhin Anpaßschaltungen 53; 54; 55; 56; 57 für Ausgabegeräte und diese selbst wie schreibende Registriergeräte 62, Drucker 58, Display 59 und digitale oder alphanummerische Anzeigen 60 sowie für eine Bedientastatur 61. Alle diese Systemkomponenten sind auf das Bussystem 50 geschaltet.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schwingungsüberwachungssystems läßt sich zusammenfassendwie folgt darstellen: Es wird ein Impulssignal mit der Frequnz f erzeugt, das exakt mit der Rotationsfrequenz einer zu überwachenden Maschine übereinstimmt. Dieses Impulssignal wird in dem Frequenzumsetzer 32 phasenstarr auf die Frequenz N · f_n vervielfacht. Die an verschiedenen Stellen der Maschine vorhandenen Lager- und/oder Wellenschwingungsaufnehmer 1a erzeugen elektrische Signale, und zwar in Übereinstimmung mit den Schwingungen, die in der Maschine aufgrund ihrer Rotation erzeugt werden. Niederfrequente Anteile dieser Signale werden herausgefiltert und der weiteren Verarbeitung zugeführt.

Die in Übereinstimmung mit der Rotation in der Maschine gelieferten Impulssignale mit den Frequenzen f und N ·.f werden als Interrupt-Signale dazu verwendet, den Analog-Digital-Umsetzer 15 in Zusammenarbeit mit dem Rechner 51 so zu steuern, daß das Schwingungssignäl phasenstarr mit der Rotordrehbewegung gekoppelt, mit der Frequenz Ii · f_n abgetastet und dabei gleichzeitig ein rotorfester Bezugspunkt (Nullpunkt) definiert wird.

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Von den Interrupt-Signalen ausgelöst und von den Programmen des Rechners 51 gesteuert, werden bei jedem Meßzyklus über eine gewählte Anzahl der Rotorumdrehungen die digitalisierten Analogwerte abgefragt und gemittelt, so daß der gemittelte Zeitverlauf des Schwingungssignales im Speicher 52 in diskreter Form mit den Stützstellen £\« vorliegt. Da die Flanke des Impulses mit der Frequenz f_n als Interrupt-Signal den Programmstart für die erste Abfrage des Analog-Digital-Umsetzers 15 am Beginn jedes Meßzyklus realisiert, ist automatisch dem ersten gemittelten diskreten Abtastwert der Phasenwinkel Null-Grad zugeordnet. Die gemittelten diskreten Abtastwerte werden mit diskreten Sinus- und Cosinusfunktionswerten multipliziert. Eine Periode der Winkelfunktionen entspricht dabei exakt einer Rotorumdrehung oder einem ga_;nzzahligen Teilfachen einer Rotorumdrehung. Die anschließende Summation der Produkte und Division durch die halbe Anzahl der Abtastwerte ergibt die Komponenten %i und y^ des komplexen Schwingungsanteiles A* (s. Fig. 3) mit .Drehfrequenz oder deren Harmonische

- N

v s ~" )* g _φ GOS C f · "f * 3. }

i -.--TT .J-T₁ j T^

TJ —-.

y . -I- y I . sin ( £JL . j . ι)

j = 1

Der Index i entspricht der Ordnung der Harmonischen, d. h. i = 1 bedeutet drehfrequenter Anteil; Έ bedeutet Frequenzvervielfachfaktor. Die Umrechnung der Komponenten χ^ und y^ in komplexe Schwingungszeiger A^ (Polarkoordinaten) erfolgt nach der Beziehung

und die Umrechnung auf den RichtungswinkelCf £ des Schwingungsanzeigers Aj₁ nach der Beziehung

a = arctan -—

Die entsprechenden Größen für die vektorielle Veränderung des komplexen Schwingungsanteiles gegenüber einem komplexen Bezugsanteil gleicher Ordnung (in Fig. 3 durch den Indexfolgeksnn-

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zeichnet) erhält man aus

oder in aussagefähiger Darstellung

_m _arctan f^4

^i ^xio)

Die exakte Drehzahlermittlung erfolgt mittels Zeitgeber- und Zählerbaust einen in Zusammenwirken mit einem Mikrorechner durch Zählen der Impulse mit der Frequenz N · f während einer bestimmten Zeitdauer« Aus der Differenz der- Zählerstän de «ird die Drehzahl berechnet.

Durch die Kenntnis der Drehzahl können die harmonischen Schwingungsanteile in jede beliebige Meßgröße umgerechnet werden (fehlerfreie Integration und Differentiation), so daß Wellen- und Lagerschwingungen sowie deren Veränderungen in einer beliebig gewählten Meßgröße verglichen werden können.

Claims

229824 2 Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur breit bandigen und selektiven Schwingungsüberwachung für die Diagnose des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen, insbesondere thermischer Turbomaschinen, wobei bestimmte herausgefilterte Bereiche des Schv»ingungsspektrums elektronisch aufbereitet und mit Bezugsgrößen verglichen werden, gekennzeichnet dadurch, daß die breitbandigen Summenpegelwerte der herausgefilterten Frequenzbereiche, die Beträge der zur Drehfrequenz harmonischen Schwingungsanteile und die Phasenlagen von markanten Punkten der Zeitverläufe der harmonischen Schwingungsanteile zu einem Bezugssignal, dem eine bestimmte radiale Hotorstellung entspricht, die Veränderungen der Summenpegelwerte und die vektorieilen Ver-

änderungen der komplexen harmonischen Schwingungsanteile, sowohl im Zeitintervall (Translenten) als auch gegenüber 3ezugspegelv?erten und komplexen harmonischen Bezugsanteilen gleicher Ordnung, die dem Neu- oder Normalzustand bei bestimmten Betriebsparametern entsprechen, ermittelt,*zur Anzeige gebracht, mit Grenzwerten verglichen und Warnsignale bei Überschreitung von Grenzwerten abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die vektoriellen Veränderungen der komplexen hormonischen Schwingungskomponenten mit Drehfrequenz, doppelter Drehfrequenz und koppelter Netzfrequenz ermittelt und beobachtet werden.

3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei gleichzeitiger Überwachung von Lager- und Wellenschwingungen die Zeitverläufe der Meßsignale in der für die jeweilige Aufnshmer-Wandler-Kombination typischen Meßgrößen diskret erfaßt, dia komplexen harmonischen Signalantaile und deren vektorielle Veränderungen gegenüber komplexen harmonischen Bezugssignalen gleicher Frequenz durch nummerische selektive Meßwertverarbeitung ermittelt, die Beträ-

- ge dieser Anteile und deren Veränderungen durch Integration

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oder Differentiation in eine beliebige gleiche Meßgröße umgerechnet und die Verhältnisse von Wellenschwingungsanteilen zu Lagerschwingungsanteilen gebildet und zur Anzeige gebracht werden.

4· Schaltungsanordnung zur breitbandigen und selektiven Sohvfingungsüberwachung für die Diagnose ^^es mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen, insbesondere thermische Turbomaschinen, zur Durchführung des Verfahrens, wobei eine oder mehrere Einrichtungen zum Erzeugen von elektrischen Signalen in Übereinstimmung mit den Schwingungen der Maschine während deren Rotation vorgesehen sind^ nach Punkt 1, gekennzeichnet-dadurch, daß elektrische Signale entweder direkt einem steuerbaren Meßstellenumschalter (11) oder über meßsignalverarbeitende Baugruppen eines bekannten breitbandigen Schwingungsüberwachungssystems zwei steuerbaren Meßstellenumschaltern (10; 11) zuleitbar sind, daß die durchgesohalteten gleichgerichteten Summenpegelsignale direkt und die Wechselspannungssignale über ein Tiefpaßfilter (12) mit stuerbarer Grenzfrequenz zu einem Umschalter (13) und von dort über einen steuerbaren Normierverstärker (14) auf den Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers (15) zuschalt bar sind, daß der Analog-Digital-Umsetzer (15) über einen Umschalter (34) entweder durch ein von einem Referenzaufnehmer ' (30) abgeleiteten, in einem Impulsformer (31) normierten und von einem Frequenzumsetzer (32) vervielfachten sowie von einem bistabilen Speicher (33) untersetzten, drehzahlabhängigen und phasenstarr mit der Rotordrehbewegung gekoppelten Steuersignal oder durch eine von einer Zeitge- ^ ber-Zähler-Baugruppe abgeleiteten über ein Interface (39) von einem Rechner (51) ausgehenden steuerbaren zeitlich konstanten Taktfrequenz ansteuerbar ist, daß spezielle Steuerschaltungen (16; 17; 18) vorgesehen sind, die zur Umschaltung der Umschalter (13; 34) und der Meßstellenumschalter (10; 11) sowie zur steuernden Beeinflussung des Tiefpaßfilters (12) und des Normierverstärkers (14) dienen und daß die Steuerschaltungen (16; 17; 18) eingangs-

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- seitig, der Analog-Digital-Umsetzer (15) sowie der Frequenzumsetzer (32) ausgangsseitig über ein Interface (19) mit dem Bussystem (50) des Rechners (51) gekoppelt sind, daß ein Speicher (52) für die Aufnahme von Steuer- und Verarbeitungsprogrammen, von Grenzwerten, von konstanten und variablen Parametern sowie von Meß- und Diagnosewerten, daß Einrichtungen zur Ausgabe der Meß- und Diagnosewerte in analoger digitaler Form und daß eine Tastatur (61) zur Kommunikation mit dem System, vorhanden sind, die über Anpaßschaltungen (53; 54; 55; 56; 57) an das Bussystem (50) angeschlossen sind.

5. Schaltungsanordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein in der Regel bekanntes ein- oder mehrkanaliges Schwingungsüberwachungssystem zugeordnet ist und die Signale for die selektive Weit erverarbeitung nach dem Verstärker (2) oder nach dem Integrator (3) oder nach dem Bandpaßfilter (4), sowie die Signale für die ^summenpegelwerte nach dem Gleichrichter (5) Meßstellenumschaltern (10; 11) zuführbar sind.

6· Schaltungsanordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß zur phasenstarr mit der Drehbewegung der Maschine gekoppelten Abfrage des Analog-Digital-Umsetzers (15) eine auf das Bussystem (50) geschaltete busangepaßte Interruptlogik (40) in einer solchen Verknüpfung vorgesehen ist, daß am Beginn einer jeden selektiven Messung ein vom Impulsformer (31) ausgelöstes Interrupt"*-Signal (INT 1) den Programmstart für die erste und ein vom bistabilen Speicher (33) ausgelöstes Interrupt-Signal (INT 2) die laufende Abfrage, Übernahme und Speicherung der am Digital-Analog-Umsetzer (15) anliegenden Digitalisierten Analogwerte über das Interface (19) in Zusammenarbeit mit dem Rechnersystem realisierbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch,

daß das Tiefpaßfilter (12) ein digitales ist»

8. Schaltungsanordnung nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Rechnersystem ein Mikrorechnersystem ist.

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9. Schaltungsanordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß für die Erzeugung zeitlich konstanter, quarzstabilisierter Taktfrequenzen zur Steuerung des Analog-Digital-Umsetzers (15) und zur Ermittlung der Maschinendrehzahl als Zeitgeber-Zähler-Baugruppen ein hochintegrierter Zeitgeber-Zähler-Schaltkreis (41), der über sein₍ internes Interface (39) auf das Bussystem (50) geschaltet ist, derart angeordnet ist, daß die Impulse der im Frequenzumsetzer

(35) untersetzten Taktfrequenz (0) des Rechners (51) von einem in den Zähler (36) eingeschriebenen Zählerstand ab rückwärts gezahlt werden und beim Nulldurchgang des Zählers

(36) jeweils ein Impuls abgeleitet wird, daß der Ausgang des Zählers (36) auf den Umschalter (34) und auf das elektronische Tor (37) geschaltet ist, wobei das elektronische Tor (37) vom abgeleiteten Impuls geöffnet bzw. geschlossen wird, daß weitere Zähler (38) über das elektronische Tor (37) mit dem Frequenzumsetzer (32) derart gekoppelt sind, daß bei geschlossenem elektronischen Tor" (37) die Bückwärtszählung der drehzahlproportionalen Impulse erfolgt·

10. Schaltungsanordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Zeitgeber-Zähler-Baugruppe aus einem Frequenzumformer (35) und aus zwei rückwärtzählenden Zählern 36; 38 besteht.

11· Schaltungsanordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Einrichtungen zur Ausgabe der Meß- und Diagnosewerte aus einem Drucker (58), einem Display (59), einer Anzeige (60) und einem Registriergerät (62) besteht.

12. Schaltungsanordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Anpaßschaltungen im einzelnen solche für eine Tastatur (53), für einen Analogausgang (54), für einen Drucker (55),· für einen Display (56) und für eine alphanumerische Anzeige (57) umfassen.

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13. Schaltungsanordnung nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Hechnersystem aus einem Bussystem (50) , dem Rechner (51) und einem Speicher (52) besteht.

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