DE2606564B2

DE2606564B2 - Anordnung zur Kompensation von Unwuchten rotierender Maschinen

Info

Publication number: DE2606564B2
Application number: DE2606564A
Authority: DE
Inventors: Karl Olof Dr.-Ing. Olsson; Joergen Dipl.-Ing. Wildheim
Original assignee: Stal Laval Turbin AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1975-03-06
Filing date: 1976-02-19
Publication date: 1979-12-13
Also published as: DE2606564A1; US4060707A; GB1529893A; FR2303277B1; SE395963B; FR2303277A1; CH592871A5; NL7601947A; SE7502480L; DE2606564C3; DK88376A; JPS51113003A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation von Unwuchten rotierender Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I. Solche Anordnungen sind bekannt aus der US-PS 3149 502 und der FR-PS 11 93 504. Unter den Begriff der rotierenden Maschine kann jeder rotierende Körper subsunimicrt werden.

Beispiele solcher rotierenden Körper sind die Rotoren von großen Turbomaschincn oder elektrischen Maschinen. Solche Rotoren werden üblicherweise in erster Linie bei der Herstellung und anschließend bei der Montage ausgewuchtet, und zwar in der Regel mittels Korrekturgewichten, die an geeigneten Stellen angebracht werden. Dieses Verfahren ist umständlich und kostspielig und bleibt bei Maschinen, die gegen Unwuchten sehr empfindlich sind, unbefriedigend. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Unwucht weniger auf einer mangelhaften Auswuchtung der Massen beruht als vielmehr auf einer Durchbiegung des Rotors. Hinzu kommt, daß sich der Rotor im Laufe der Zeit verändert, und auch die Belastung des Rotors einen anderen Gleichgewichtszustand ergeben kann.

Bei der aus der US-PS 3149 502 bekannten Anordnung sind auf der Welle symmetrisch über den Umfang drei oder vier Heizelemente verteilt, die mit unterschiedlichen Strömen beschickt werden 'entspreder zu kompensierenden Unwucht. Für die Zuführung dieser Ströme sind Schleifringe auf der Welle erforderlich. Statt der auf der Welle direkt angeordneten Heizelemente können nach dieser Druckschrift auf der Welle auch sternförmig und symmetrisch verteilte Stäbe mit Gewichten an ihren Enden angeordnet sein. Dabei sind die Stäbe von Heizleiiern umgeben, deren unterschiedliche Beheizung zu unterschiedlichen Längenänderungen der Stäbe führen, wodurch eine kompensierende Unwucht aufgebaut wird. Statt einzelner Gewichte kann auch ein die Enden der Stäbe verbindender elastischer Ring verwendet werden. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung zur Kompensation von Unwuchten besteht darin, daß die Heizelemente rotierend auf der Welle angeordnet sind, war komplizierte und anfüllige Konstruktionen erfordert sowie die Zuführung des Heizstromes über Bürsten und Schleifringe.

Aus der FR-PS 1193 504 ist es bekannt, zur Kompensation der Unwuchten von elektrischen Maschinen mit symmetrischen Läuferwicklungen die Stromdichte dieser Wicklungen als Funktion des Umfangs derart unsymmetrisch zu steuern, daß die daduich bedingte ungleichmäßige Erwärmung eine die Unwucht kompensierende Verformung hervorruft. Diese Methode ist nur für elektrische Maschinen verwendbar. Sie kann beispielsweise nicht bei Turbinen angev/endet werden.

Aus der DE-OS 20 32 893 ist ein Verfahren zum Auswuchten von Rotoren bekannt, bei dem von einer ortsfesten Laserstrahlquelle periodisch Laserstrahlimpulse auf die Stellen des Rotors gesendet werden, an denen sich die Unwucht befindet. Der Laserstrahl brennt einen Teil des Materials aus dem Rotor heraus und beseitigt so die Unwucht. Mit einem Auswuchten einer Welle durch erwärmungsbcdingte Verformung hat dieses Verfahren nichts zu tun. Es ist ungeeignet für die fortlaufende Auswuchtung von Rotoren im Betrieb, da eine fortlaufende Beschädigung der Rotoren unzulässig ist. Das Verfahren kommt für die einmalige Auswuchtung von Rotoren während der Herstellung in Betracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kompensation von Unwuchten der eingangs genannten Art in der Weise weitcrzueniwikkeln, daß praktisch keine konstruktiven Maßnahmen an der rotierenden Welle erforderlich sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Untcransprüchen genannt.

Bei der Anordnung nach der Erfindung wird eine ortsfest am Maschinengehäuse angeordnete Wärmequelle zur thermischen Verformung des Rotors verwendet, so daß keine konstruktiven Maßnahmen an dem Rotor selbst zu treffen sind. Insbesondere braucht der Heizstrom nicht, wie bei der bekannten Anordnung,

ω über anfällige und dem Verschleiß unterliegende Bürsten-Schleifring-Anordnungen übertragen zu werden.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Ί5 F i g. I eine Maschine mit einer Anordnung gemäß der Erfindung,

I" i g. 2 ein Detail von F i g. I,

Fig.] vier Diagramme, welche verschiedene bei der

Anordnung nach der Erfindung auftretende Betriebsgrößen zeigen,

F i g. 4 eine Anordnung nach der Erfindung bei einer komplizierten Maschinenanlage.

Fig. 1 zeigt eine rotierende Maschine mit Rotor 1, Welle 2 und Lagern 3, während der Stator der Maschine der Einfachheit halber nicht dargestellt ist. Zur Anzeige einer eventuellen Unwucht des Rotors sind induktive Meßglieder 4 vorgesehen, welche die Änderungen des Abstandes zwischen der Welle 2 und den Meßgliedern erfassen, wie dies in F i g. 3 angedeutet ist.

Statt der elektromagnetischen Meßglieder können kapazitive oder optische Meßglieder verwendet werden, die beispielsweise entsprechend dem Echoprinzip mit Leuchtimpulsen arbeiten, welche von der Wellenoberfläche reflektiert werden. Statt die Durchbiegung der Welie zu messen, können auch die Lagerkräfte mittels druckmessender Glieder in den Lagern 3 gemessen werden.

Um die Unwucht auszugleichen, wird der Rotor während des Betriebes einseitig an geeigneten Stellen erwärmt, und zwar dadurch, daß dem Rotor synchron mit der Rotation Energieimpulse zugeführt werden, damit die einseitige Erwärmung eine Deformation verursacht, die die Unwucht aufhebt.

Als Wärmequelle werden in der Anordnung nach Fig. 1 zwei Hochfrequenzgeneratoren 5 verweidet, die über Steuerglieder 7 gesteuert Energieimpulse über Schlingen 6 an vorgegebene Stellen auf die Welle 2 des Rotors 1 übertragen. Die Plazierung und Formgebung der Hochfrequenzschlingen 6 kann einerseits davon abhängen, mit welcher Deformierung der Welle und des Rotors bei der Betriebsdrehzahl zu rechnen ist, und andererseits davon, wo die Plazierung der Schlingen möglich ist und wie der Rotor und die Welle von der Wärme beeinflußt werden. Dies wiederum kann davon abhängen, ob der Rotor oder die Welle ferromagnetisch, elektrisch leitend oder elektrisch isolierend ist.

In Fig. 2 wird im Schnitt senkrecht zur Wellenaehse gezeigt, wie das Meßglied 4 und die Schlinge 6 um die Welle 2 herum ungeordnet werden können. Ferner ist in den Fig. 1 und 2 ein Winkclbc/.ugssystcm angedeutet, daß einen Kennpunkt 9, der beispielsweise aus einem Distanzstück auf oder einem Loch in der Welle 2 besteht, und ein Meßglied 10 umfaßt, d^s dieselbe Ausführung haben kann, wie das Meßglied 4. Die Signale von den Meßgliedern 4 und 10 werden einem Signalgeber 8 für das Steuerglied 7 zugeführt, wobei die Energieimpulse der Schlinge 6 mit der richtigen Phasenlüge im Verhältnis zur Rotorwinkelstellung zugeführt werden.

Um die einseitige Erwärmung /u verwirklichen, müssen die Energieimpulse im Takt der Rotation des Rotors gesteuert werden. Dies kann entweder mit I lilfe einer Amplitudenmodulation oder einer Impulsmodiilation geschehen, die beide in F i g. 3 gezeigt sind. Das im Sinne von oben nach unten gezählte erste Diagramm in F i g. 3 zeigt das Signal ρ 4 von einem der Meßglieder 4, d. h. die seitliche Veränderung des Abstandes des Meßgliedes von der Welle infolge der Unwucht. Das ω zweite Diagramm zeigt die Impulse ρ 10 von dem Meßglied 10, wobei der Phasenwinkel (-) ein Maß für die Winkellage der Unwucht ist. Durch den Winkel B und den Winkel zwischen dem Meßglied 4 und der Schlinge 6 kann die Phasenlage Φ der Energieimpulsc bestimmt b5 werden. Der Grad der Wärmezufuhr wird dabei von der Amplitude A der Modulation bzw. von der Dauer λ des Fig. 3 angedeutet ist. Durch das Steuerglied 7 werden die Werte A bzw. λ sowie Φ geregelt. Diese wählt man unter Bezug auf die Amplitude ό und den Phasenwinkel θ der Schwingung. Wie die Verhältnisse zwischen A, α und ö bzw. φ und θ zu wählen sind, kann in Ausnahmefällen durch eine theoretische Analyse bestimmt werden, wird gewöhnlich jedoch empirisch festgelegt.

Bei Verwendung von Steuerimpulsen entsprechend dem vierten Diagramm in F i g. 3 kann die Frequenz der Energieimpulse eventuell als ein Bruchteil '/„, wobei η eine ganze Zahl ist, der Frequenz der Signalimpulsfolge gewählt werden, wobei man für das Steuerglied 7 etwas längere Schaltzeiten zulassen kann.

S;att eines Hochfrequenzgenerators kann eine beliebige andere steuerbare Energiequelle verwendet werden, welche den Rotor erwärmende energiereiche Impulse gewünschter Frequenz und Phasenlage abzugeben vermag.

Als außerordentlich einfache Energiequelle, besonders bei niedrigerer Drehzahl, kommt eine Schweißflamme in Betracht, die mittels einer rotierenden oder oszillierenden Blende abgeschirmt wird. Als ein anderes Extrem kommt ein Laserstrahl in Betracht, der sowohl hinsichtlich der Energie als auch der Richtbarkeit den höchsten Alisprüchen gerecht wird.

Im Prinzip kann die Phasenlage der Energieimpulse der Schlingen 6 direkt bezogen auf die Signale von den Meßgliedern 4 festgestellt werden, wobei das Bezugssystem 9, 10 fortgelassen werden kann. Mit der Erfindung soll es jedoch möglich sein, die Schwingungen vollständig zu kompensieren, wobei dann die Signale der Meßglieder 4 verschwinden. Um dann das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, müssen Phasenlage und Größe der Energieinipulse dadurch sichergestellt werden, daß der Signalgeber 8 mit einem Speicher versehen wird, der die ursprüngliche Phasenlage θ der Signale des Meßgliedes 4 im Verhältnis zum Winkelbezugssystem 9, 10 speichert. Aus diesem Grunde und eventuell auch deshalb, um nach Stillsetzung die Phasenlage der Unwucht angeben zu können, ist das Winkelbezugssyslem 9, 10 von Vorteil. In den Fig. 1 und 2 sind die Verbindungen zur Übertragung von Signalen vom Signalgeber 8 zum Steuerglied 7 angedeutet. Zweckmäßigerweise sollen diese Verbindungen auch manuell steuerbar sein, um beispielsweise beim ersten Betrieb einer neu montierten Anlage von Hand eingreifen zu können, um den richtigen Verlauf der Kompensation zu erreichen.

F1 g. 4 zeigt als Beispiel eine komplizierte Masch nenanlage, welche die zusammengekoppelten Rotoren einer Hochdruckturbine //deiner Anzahl Niederdruckturbinen LT und eines Generators G umfaßt. In einem solchen Falle ist eine große Anzahl von Lagern 3 vorhanden, so daß die Unwucht mit Meßgliedern 4 an so vielen Stellen gemessen werden muß, wie erforderlich sind, um einen gewünschten Überblick über eine eventuelle Unwucht zu bekommen. Ferner müssen Hei/schlingen 6 oder ähnliche Energieimpulsüberträger an solchen Stellen angeordnet werden, an denen eine örtliche Erwärmung die gewünschte Kompensa'.ion der Unwucht herbeiführen kann. Um die Signale richtig zu verarbeiten, soll der Signalgeber 8' in einem solchen Falle wie ein programmiertes Zählglied nach Art eines Minirechners oder dergleichen aufgebaut sein, damit das Steuerglied T eine richtige Verteilung der Iincrgieimpulse vom Hochfrequenzgenerator 5' bewir-

Hierzu 2 Matt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Kompensation der Unwuchten von Rotoren in Maschinen während des Betriebes durch eine von der Umfangslage und Größe der jeweiligen Unwucht abhängige thermische Verformung des Rotors mit wenigstens einer Wärmequelle und einem Meßglied für die Messung der unwuchtbedingten Auslenkung des Rotors von einer ortsfesten Stelle aus, und einen mit dem Meßglied verbindenden Signalgeber, der die Energiezufuhr für die Erwärmung des Rotors steuert, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle eine ortsfest am Maschinengehäuse angeordnete, Energieimpulse aussendende Energiequelle (5) vorgesehen ist, die von den Ausgangssignalen des Signalgebers (8) derart gesteuert wird, daß sie in einer bestimmten Drehwinkellage des Rotors periodisch den Rotor erwärmende Energieimpulse aussendet, die an der der Unwucht gegenüberliegenden Seite auf den Rotor auf treffen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Energieimpulse gleich der Drehzahl des Rotors(l)ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Frequenz der Energieimpulse ein Bruchteil der Drehzahl des Rotors (1) ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieimpulse von den Signalen des Meßgliedes (4) sowohl hinsichtlich der Winkellage als auch der Größe abhängig sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Winkclbezugssystem umfaßt, das aus einem festen Kennpunkt (9) am Rotor (1) und einem entsprechenden Meßglied (10) zur Bestimmung des Phasenwinkel (O) der Unwucht besteht.