DD255588A1 - METHOD FOR VIBRATION MONITORING OF ROTATING MACHINES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhoehung der Selektivitaet bei der Schwingungsuntersuchung fuer die Diagnose und Ueberwachung des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen, insbesondere gleitgelagerter thermischer Turbomaschinen, mit dem Ziel der Schadensvermeidung, Schadensfrueherkennung und Vermeidung von Folgeschaeden. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bisher bestehenden Diagnosemoeglichkeiten auf die konstruktiven Besonderheiten der betreffenden Anlagen im allgemeinen und ihrer Fahrweise im speziellen durch weiterfuehrende Betrachtung der Schwingungszeiger (Betrag und Phasenwinkel) zu beruecksichtigen. Das erfolgt erfindungsgemaess, indem in einem Zeigerspeicher (1) die zur Drehfrequenz harmonischen Signalanteile fuer verschiedene Zustaende abgelegt werden, in einem Bezugswertspeicher (2) das arithmetische Mittel fuer jeden Signalanteil abgelegt wird und ein Ueberwachungsmodul (3) den Differenzwertzeiger zwischen aktuellem Zustand und mittlerem Bezugszustand ermittelt, mit dem Normalbereich vergleicht und eventuelle Verletzungen signalisiert. Zusaetzlich zum Zeigerspeicher (2) wird ein Parameterspeicher (4) gebildet, der zum jeweiligen Messpunkt die zugehoerigen Betriebsparameter erfasst. Ein Repressator 5 stellt eine Funktion zur Vorausbestimmung des Bezugswertes bereit. Fig. 3 bThe invention relates to a method for increasing the selectivity in the vibration investigation for the diagnosis and monitoring of the mechanical condition and performance of rotating machinery, in particular sliding thermal turbomachinery, with the aim of avoiding damage, damage early detection and avoiding consequential damage. The object of the invention is to take into account the hitherto existing diagnostic possibilities on the structural features of the plants concerned in general and their driving style in particular by weiterfuehrende consideration of the vibration indicator (magnitude and phase angle). This is accomplished according to the invention by storing in a pointer memory (1) the harmonic components for different states, storing in a reference memory (2) the arithmetic mean for each signal component and a monitoring module (3) displaying the difference value pointer between current state and mean reference state determined, compared with the normal range and signals any violations. In addition to the pointer memory (2), a parameter memory (4) is formed which detects the associated operating parameters for the respective measuring point. A repressor 5 provides a function for predetermining the reference value. Fig. 3 b
Description
Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Selektivität bei der Schwingungsüberwachung für die Diagnose und Überwachung des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen, insbesondere gleitgelagerter thermischer Turbomaschinen mit dem Ziel der Schadensyerrrieidung, Schadensfrüherkennung und Vermeidung von Folgeschäden.The invention relates to a method for increasing the selectivity in the vibration monitoring for the diagnosis and monitoring of the mechanical condition and performance of rotating machinery, in particular sliding thermal turbomachinery with the aim of Schadenyerrrieidung, early damage detection and prevention of consequential damage.
Nach wie vor sind in nationalen und internationalen Standards und Richtlinien Überwachungsverfahren für Schwingungen an rotierenden Maschinen festgelegt, die von einer globalen Beurteilung des Schwingungsniveaus ausgehen. Zur Bewertung mechanischer Schwingungen an Lagern wird beispielsweise die Schwingungsintensität an den Außenflächen von Lagergehäusen im Frequenzbereich von 10 bis 1000 Hz als Meßgröße festgelegt. Bei Wellenschwingungen wird vorzugsweise der maximale Wellenausschlag als Beurteilungsgröße verwendet. Die Effektivwertbestimmung (Bildung des quadratischen Mittelwertes) bzw. die Ermittlung des Spitzenwertes bei Wellenschwingungen hat zur Folge, daß alle wesentlichen Informationen des Schwingungssignales (ζ. B. Frequenzanteile, Phasenlage) für eine weitere diagnostische Verarbeitung verloren gehen und nicht zur Verfügung stehen.National and international standards and guidelines continue to establish monitoring procedures for vibrations on rotating machinery based on a global assessment of vibration levels. For the evaluation of mechanical vibrations on bearings, for example, the vibration intensity is determined on the outer surfaces of bearing housings in the frequency range from 10 to 1000 Hz as a measured variable. In the case of wave oscillations, the maximum wave deflection is preferably used as the evaluation variable. The RMS determination (formation of the root mean square) or the determination of the peak value in wave oscillations has the consequence that all essential information of the oscillation signal (ζ B. frequency components, phase angle) is lost for further diagnostic processing and is not available.
Die bekannten Verfahren nach DD-WP 158581 und DD-WP 221 550 gehen von einer ursachenbezogenen selektiven .Überwachung aus, gekennzeichnet durch:The known methods according to DD-WP 158581 and DD-WP 221 550 are based on a cause-related selective monitoring, characterized by:
— Realisierung einer phasenstarren, auf den Rotor bezogenen, Erfassung der Lager- und Wellenschwingungssignale,Realization of a phase-locked rotor-related acquisition of the bearing and shaft vibration signals,
:— selektive Verarbeitung der Schwingungssignale über Ordnungsanalyse, d. h. automatische Berechnung und Überwachung von Schwingungszeigern (Beträge und Phasenwinkel) für die bei gleitgelagerten Turbomaschinen typischen Hauptfrequenzanteile (drehfrequent, doppeltdrehfrequent): Selective processing of the vibration signals via order analysis, d. H. Automatic calculation and monitoring of vibration indicators (magnitudes and phase angles) for the main frequency components typical for slide-mounted turbomachinery (rotational frequency, double rotational frequency)
— Zusammenfassung des restlichen Spektrums zu einer neuen Kenngröße, dem „Schwingungsrestwertpegel", der dem Signalpegel entspricht, wenn der dreh-und doppeltdrehfrequente Anteil eliminiert wird- Summary of the remaining spectrum to a new characteristic, the "vibration residual level", which corresponds to the signal level when the rotating and doubly rotating frequency component is eliminated
— FFT-Analysen zur Ermittlung weiterer Signalkomponenten erfolgen nur, wenn der Schwingungsrestwertpegel oder seine Veränderung feinfühlig vorgegebene Grenzwerte verletzt.- FFT analyzes to determine further signal components only occur if the residual vibration level or its change violates sensitively specified limit values.
Die Nachteile bestehender Systeme liegen in der ungenügenden, willkürlichen Bestimmung der Systemkonstanten. Dabei wird ein beliebiger Zustand als Bezugszustand definiert. Diese Herangehensweise berücksichtigt nicht Veränderungen, die aus dem normalen Schwankungsbereich der beeinflussenden Betriebsparameter resultieren. Außerdem sind die meßbaren Wirkungen im Schwingungsverhalten abhängig von den konstruktiven Besonderheiten des jeweiligen Turbosatzes, der jeweiligen Meßstelle und der Fahrweise des Turbosatzes.The disadvantages of existing systems lie in the insufficient, arbitrary determination of the system constants. An arbitrary state is defined as the reference state. This approach does not take into account changes resulting from the normal range of variation of the influencing operating parameters. In addition, the measurable effects in the vibration behavior are dependent on the design features of each turbine set, the respective measuring point and the driving of the turbo set.
Es ist das Ziel der Erfindung, die Diagnosemöglichkeiten an gleitgelagerten Turbomaschinen im Sinne der Schadensfrüherkennung sowie der zustandsabhängigen Instandhaltung zu erhöhen. Insbesondere geht es darum, typspezifische, meßortabhängige Kenngrößen der Schwingungsdiagnostik zu bestimmen, um den mechanischen Zustand und dessen Veränderungen eindeutig bewerten zu können.It is the object of the invention to increase the diagnostic options on slide-mounted turbomachines in the sense of early damage detection and condition-dependent maintenance. In particular, it is a matter of determining type-specific, location-dependent parameters of vibration diagnostics in order to be able to unambiguously evaluate the mechanical state and its changes.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung soll die Selektivität der Überwachung rotierender Maschinen zur Feststellung von anormalen Betriebszuständen auf ein optimales Maß erhöht werden, das die gegenwärtige Erkennbarkeitsschwelle für Anomalitäten qualitativ erheblich erweitert.With the solution according to the invention, the selectivity of the monitoring of rotating machinery for the detection of abnormal operating conditions is to be increased to an optimum level, which qualitatively considerably expands the current detectability threshold for abnormalities.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schwingungsdiagnostik an gleitgelagerten Turbomaschineh zu schaffen, das es gestattet, die konstruktiven Besonderheiten der betreffenden Anlagen im allgemeinen sowie ihrer Fahrweise im speziellen durch weiterführende Betrachtung der Schwingungszeiger (Betrag und Phasenwinkel) zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß erfolgt die Meßwerterfassung von Wellen- und/oder Lagerschwingungssignalen, indem in einem Zeigerspeicher die zur Drehfrequenz harmonischen Signalanteile — insbesondere die erste und zweite Harmonische — bei verschiedenen Zuständen abgelegt werden, die dadurch charakterisiert sind, daß sie einen im normalen Betrieb typischen Schwankungsbereich für die Betriebsparameter überstreichen. In einem Bezugswertspeicher wird das arithmetische Mittel für jeden Signalanteil abgelegt. Um die mittleren Bezugszeiger entstehen Schwankungsbereiche, die die konstruktiven Besonderheiten des Turbosatzes, die Besonderheiten seiner Fahrweise und des jeweiligen Meßortes erfassen und den realen Normalbereich kennzeichnen. Der Bezugswertzeiger kennzeichnet den Mittelpunkt einer Fläche, die den Normalbereich umfaßt. Ein Überwachungsmodul hat die Aufgabe, den Differenzzeiger zwischen aktuellem Zustand und mittlerem Bezugszustand zu ermitteln und mit der Erstreckung des Normalbereiches zu vergleichen, um eventuelle Verletzungen des Normalbereiches zu signalisieren. Nath der Erfahrung ist die Erstreckung der Fläche um die mittleren Bezugszeiger an den verschiedenen Meßstellen unterschiedlich groß. Insbesondere dann, wenn parameterabhängige Schwingungen vorliegen, ergeben sich große Streubereiche. Erfindungsgemäß findet das dadurch Berücksichtigung, daß zusätzlich zum Zeigerspeicher ein Parameterspeicher gebildet wird, der zum jeweiligen Meßpunkt die zugehörigen Betriebsparameter erfaßt. Ist die Anzahl der Einzelmessungen genügend groß, können zusätzlich charakteristische Kennzahlen nach statistischen Methoden geschätzt werden. Ein sogenannter Regressator stellt eine Funktion bereit, mit der es möglich wird, den Bezugswert vorauszubestimmen. Damit entsteht ein parameterabhängiger Bezugszeiger, der es gestattet, insbesondere die betriebsparameterabhängigen Schwankungen zu erfassen. Durch dieses Verfahren wird die Selektivität der Überwachung zur Feststellung von anomalen Betriebszuständen wesentlich erhöht. ' The invention has for its object to provide a method for vibration diagnostics on sliding Turbomaschineh, which allows to take into account the structural features of the equipment in general and their driving in particular by further consideration of the vibration indicator (magnitude and phase angle). According to the invention, the measured value is detected by wave and / or bearing vibration signals by in a pointer memory harmonic to the rotational frequency signal components - especially the first and second harmonic - are stored at different states, which are characterized in that they are typical in normal operation fluctuation range for the Cover operating parameters. In a reference memory, the arithmetic mean is stored for each signal component. About the middle reference pointer arise fluctuation ranges that capture the structural characteristics of the turbo set, the specifics of his driving style and the respective measuring location and characterize the real normal range. The reference pointer indicates the center of an area that includes the normal area. A monitoring module has the task of determining the difference pointer between the current state and the mean reference state and comparing it with the extension of the normal range in order to signal possible violations of the normal range. In the experience, the extent of the surface around the middle reference pointers at the different measuring points varies in size. Especially when parameter-dependent vibrations are present, large scattering ranges result. According to the invention this is taken into account by the fact that in addition to the pointer memory, a parameter memory is formed, which detects the associated operating parameters for the respective measuring point. If the number of individual measurements is sufficiently large, additional characteristic values can be estimated using statistical methods. A so-called regressor provides a function with which it becomes possible to predetermine the reference value. This creates a parameter-dependent reference pointer, which allows to detect in particular the operating-parameter-dependent fluctuations. This method substantially increases the selectivity of the monitoring to detect abnormal operating conditions. '
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es nunmehr möglich,With the solution according to the invention it is now possible
— von einer globalen Beurteilung des mechanischen Zustandes zur typspezifischen, meßortabhängigen Überwachung überzugehen,- move from a global assessment of the mechanical condition to type-specific, location-dependent monitoring,
— aus der Kenntnis der ablaufenden Schädiguhgsprozesse eine ursachenbezogene Überwachung durchzuführen,- carry out cause-based monitoring from the knowledge of the ongoing damage processes,
— die Parameterabhängigkeit von Schwingungszuständen zu berücksichtigen und- to consider the parameter dependence of vibration states and
— Veränderungen des mechanischen Zustandes feinfühliger als bisher möglich festzustellen.- Determine changes in the mechanical state more sensitively than previously possible.
Die erfindungsgemäße Lösung setzt ein Schwingungsüberwachungssystem voraus, das die in der Charakteristik der bekannten technischen Lösungen aufgestellten Forderungen erfüllt. Beispielsweise ist ein Meß- und Überwachungsprinzip nach DD-WP 158581 zugrunde zu legen. Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird nachstehend eine bevorzugte Verfahrensform für die erfindungsgemäße Lösung dargestellt. Die Zeichnung zeigtThe solution according to the invention requires a vibration monitoring system that meets the requirements set in the characteristics of the known technical solutions. For example, a measuring and monitoring principle according to DD-WP 158581 is to be used. With reference to the accompanying drawings, a preferred method form for the solution according to the invention is shown below. The drawing shows
Fig. 1: Prinzipdarstellung der 3fach gestaffelten Form der Grenzwertüberwachung zur Erläuterung von Grenz- und BezugswertenFig. 1: Schematic representation of the 3-fold staggered form of limit monitoring for the explanation of limit and reference values
Fig. 2: Grafik zu den erfindungsgemäß zu ermittelnden Grenz-und Bezugswerten (GD; 0) Fig. 3: Ablaufschemata zur Ermittlung der Grenz-und Bezugswerte (GD; 0).2 shows a graph of the limit values and reference values (GD, 0) to be determined according to the invention, FIG. 3: flowcharts for determining the limit values and reference values (GD, 0).
Durch die Punkte P; (i = [1,n])wirdin Fig. 1 die Bewegungskurve eines selektiven Schwingungszeigers χ (xin; X2n) charakterisiert. Diese Bewegungskurve beinhaltet die beim praktischen Betrieb möglichen Veränderungen eines entsprechenden Schwingungszeigers. Die Aufgabe, anormale Betriebszustände, die sich im Schwingungsverhalten äußern und schadensbedingte Veränderungen möglichst genau und im Entstehungsstadium zu erfassen, wird durch die Definition von zulässigen Bereichen (Grenzwerten) gelöst.Through the points P; (i = [1, n]), the motion curve of a selective vibration vector χ (xi n ; X 2n ) is characterized in FIG. This movement curve includes the possible changes of a corresponding oscillation pointer during practical operation. The task of detecting abnormal operating conditions that manifest themselves in the vibration behavior and to detect damage-related changes as precisely as possible and at the stage of formation is resolved by the definition of permissible ranges (limit values).
— G1, G 2 sind Grenzwerte (Vorwarnung, Hauptwarnung) für die Beträge der selektiven Schwingungszeiger. Sie entsprechen in etwa den in den internationalen Schwingungsnormen festgelegten Grenzwerten für Schwingungsintensität bzw. Effektivwert für Lagerschwingungen und Spitzenwert für Wellenschwingungen. Damit ist eine große Einschätzung des Zustandes der Maschine möglich (Stand der Technik).- G1, G 2 are limits (prewarning, main warning) for the amounts of the selective vibration indicator. They roughly correspond to the limit values for vibration intensity or RMS value for bearing vibrations and peak value for shaft vibrations specified in the international vibration standards. Thus, a large assessment of the state of the machine is possible (prior art).
— GD charakterisiert den zulässigen Bereich für Veränderungen eines selektiven Schwingungszeigers um den Bezugszustand P0, wobei die Vektoren PiP0, P2Po---PnPo auf Grenzwertüberschreitungen getestet werden.- GD characterizes the zulä s sigen range for changes in a selective oscillation pointer to the reference condition P 0, where the vectors PiP 0, P 2 Po --- P n Po are tested for limit exceedance.
Damit ist die Erfassung von „normalen" parameterabhängigen Veränderungen möglich, die außerdem noch vom jeweiligen Meßort, d. h. von den konstruktiven Besonderheiten beeinflußt werden.This makes it possible to record "normal" parameter-dependent changes, which are also influenced by the respective measuring location, that is to say, by the design features.
— GT begrenzt die zeitliche, insbesondere sprunghafte Veränderung eines selektiven Schwingungszeigers auf einen zulässigen Wert, indem die Vektoren P2Pi, P3P2...PnPn_·, berechnet und getestet werden.- GT limits the time, especially esonde r e spr unghafte change a selective oscillation pointer to a permissible value by the vectors P 2 P i, P 3 P 2 ... P n P n, can be calculated and tested · _.
Erfindungsgemäß geht es darum, die zulässigen Grenzen GD unter Berücksichtigung des normalen Schwingungsverhaltens auf dem kleinstmöglichen Niveau festzulegen.According to the invention, it is a question of setting the allowable limits GD taking into account the normal vibration behavior at the lowest possible level.
Fig. 2 zeigt die 2 prinzipiellen Möglichkeiten zur Grenz- und Bezugswertbestimmung. Im Fall a) liegen keine parameterabhängigen Beeinflussungen des Schwingungszeigers vor. Fall b) zeigt Parameterabhängigkeit. Für a) werden die selektiven Schwingungsgrößen für den 1. bzw. 2. harmonischen Anteil im Zeigerspeicher 1 vorzugsweise in Komponentenform (x-, y-Richtung) abgespeichert. In den Bezugswertspeicher 2 wird das arithmetische Mittel der jeweiligen Diagnosegröße übernommen nach den im Wesen genannten Voraussetzungen an die Verteilung der einzelnen Zustände.Im Überwachungsmodul 3 erfolgt der Vergleich von aktuellem und Bezugszustand und der Test auf Verletzung der Grenze GD. Dabei ist GD wiederum empirisch in einer sogenannten Belehrungsphase z.B. als Maximalwert der Vektoren P; P0 (i = 1, n) festzulegen. Durch das Überwachungsmodul 3 erfolgen dann die Weiterverarbeitung und entsprechende Signalisationen-Für b) ist das Verfahren nach a) unzweckmäßig (siehe großer Kreis in Fig. 2). Mit Hilfe der Zustandsschätzung nach Fig. 3 b können parameterabhängige Bezugs- und Grenzwerte ermittelt werden. Dabei werden zusätzlich zu den selektiven Schwingungszeigern noch die Betriebsparameter im Parameterspeicher 4 erfaßt. Der Regressator 5 stellt in der Belehrungsphase einen mehrdimensionalen Zufallsvektor bereit, mit dem dann ausgehend vom aktuellen Maschinenzustand ein Bezugswert (Oi, O2... On) geschätzt wird, der das in der Belehrungsphase aufgeprägte Verhalten der Turbomaschine widerspiegelt, wenn die Anzahl der Einzelmessungen genügend groß warFig. 2 shows the 2 principal possibilities for limiting and reference value determination. In case a), there are no parameter-dependent influences of the oscillation pointer. Case b) shows parameter dependence. For a) the selective oscillation quantities for the 1st or 2nd harmonic component in the pointer memory 1 are preferably stored in component form (x, y direction). In the reference value memory 2, the arithmetic mean of the respective diagnostic quantity is taken over according to the requirements of the nature of the distribution of the individual states. In the monitoring module 3, the comparison of current and reference state and the test for violation of the boundary GD. In this case, GD is again empirically in a so-called instruction phase, for example as the maximum value of the vectors P; P 0 (i = 1, n). By the monitoring module 3 then the further processing and corresponding signaling-For b), the method according to a) is impractical (see large circle in Fig. 2). With the aid of the state estimation according to FIG. 3 b, parameter-dependent reference and limit values can be determined. In this case, the operating parameters in the parameter memory 4 are detected in addition to the selective vibration pointers. The regressor 5 provides a multi-dimensional random vector in the instruction phase, with which a reference value (Oi, O 2 ... O n ) is then estimated on the basis of the current machine state, which reflects the behavior of the turbomachine impressed in the instruction phase, if the number of Single measurements was sufficiently large
Die Weiterverarbeitung im Überwachungsmodul 3 erfolgt dann wie bei a). The further processing in the monitoring module 3 then takes place as in a).
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