DE2606564C3 - Anordnung zur Kompensation von Unwuchten rotierender Maschinen - Google Patents
Anordnung zur Kompensation von Unwuchten rotierender MaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation von Unwuchten rotierender Maschinen gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1. Solche Anordnungen sind bekannt aus der US-PS 3149 502 und der
FR-PS 1193 504. Unter den Begriff der rotierenden Maschine kann jeder rotierende Körper subsummiert
werden.
Beispiele solcher rotierenden Körper sind die Rotoren von großen Turbomaschinen 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 31 49 502 bekannten Anordnung sind auf der Welle symmetrisch über den
Umfang drei oder vier Heizelemente verteilt, die mit unterschiedlichen Strömen beschickt werden, entsprechend
der zu kompensierenden Unwucht. Für die Zuführung dieser Ströme sind Schleifringe auf dar 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 Heizleitern 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 anfällige 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 dadurch bedingte ungleichmäßige Erwärmung eine die
Unwucht kompensierende Verformung hervorruft.
Diese Methode ist nur für elektrische Maschinen verwendbar. Sie kann beispielsweise nicht bei Turbinen
angewenaet 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 erwärmungsbedingte Verformung
hat dieses Verfahren nichts zu tun. Es ist ungeeignet für die fortlaufende Auswuchtung von Rotoren im Betrieb,
da eine fortlaufende Beschädigung der Rotoren
ίο 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 weiterzuentwikkeln, 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 Unteransprüchen genannt.
Bei der Anordnung nach der Erfindung wird eine ortsfest am Maschinengehäuse angeordnete Wärmequelle
zur thermischen Verformung des Rotors verwendet, so daß keim· konstruktiven Maßnahmen an
dem Rotor selbst zu treffen sind. Insbesondere braucht der Heizstrom nicht, wie bei der bekannten Anordnung,
über anfällige und dem Verschleiß unterliegende Bürsten-Schleifring-Anordnungen übertragen zu werden.
Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert
werden. Es zeigt
' i g. 1 eine Maschine mit einer Anordnung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 ein Detail von Fig. 1,
Fi g. 3 vier Diagramme, welche verschiedene bei der
Anordnung nach der Erfindung auftretende Betriebsgrößen zeigen,
Fig.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 tischen 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 Welle zu messen, können auch die Lagerkräfte
mittels druckmesüender 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 F i g. 1 zwei Hochfrequenzgeneratoren 5 verwendet, 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 mögiich 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 Wellenachse gezeigt, wie das Meßglied 4 und die Schlinge 6 um die
Welle 2 herum angeordnet werden können. Ferner ist in den Fig. 1 und 2 ein Winkelbezugssystem angedeutet,
daß einen Kennpunkt 9, der beispielsweise aus einem Distanzstück auf oder einem Loch in der Welle 2
besteht, und ein Meßglied 10 umfaßt, das 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 Phasenlage im Verhältnis zur Rotorwinkelstellung
zugeführt werden.
Um die einseitige Erwärmung zu verwirklichen, müssen die Energieimpulse im Takt der Rotation des
Rotors gesteuert werden. Dies kann entweder mit Hilfe einer Amplitudenmodulation oder einer impulsmodulation
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 LFolge der Unwucht. Das
zweite Diagramm zeigt die Impulse ρ 10 von dem Meßglied 10, wobei der Phasenwinkel Θ ein Maß für die
Winkellage der Unwucht ist. Durch den Winkel Θ und den Winkel zwischen dem Meßglied 4 und der Schlinge
6 kann die Phasenlage Φ der Energicimpulse bestimmt werden. Der Grad der Wärmezufuhr wird dabei von der
Amplitude A der Modulation bzw. von der Dauer α des Impulses bestimmt, wie es in den Diagrammen 3 und 4 in
Fig. 3 angedeutet ist. Durch das Steuerglied 7 werden die Werte A bzw. α sowie Φ geregelt. Diese wählt man
unter Bezug auf die Amplitude ό und den Phasenwinkel
Θ der Schwingung. Wie die Verhaltnisse zwischen A, λ
und δ 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 Vn, wobei η
eine ganze Zahl ist, der Frequenz der Signalimpulsfolge gewählt werden, wobei man für das Steuerglied 7 etwas
längere Schaltzeiten zulassen kann.
Statt 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 der,
höchsten Ansprüchen 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 da.·» Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, müssen Phasenlage
und Größe der Energieimpulse dadurch sichergestellt werden, daß der Signalgeber 8 mit einem Speicher
versehen wird, der die ursprüngliche Phasenlage B 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 Winkelbezugssystem 9, 10 von Vorteil. In den F i g. 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.
F i g. 4 zeigt als Beispiel eine komplizierte Maschinenanlage, welche die zusammengekoppelten Rotoren
einer Hochdruckturbine HT, einer Anzahl Niederdruckturbinen LTund eines Generators C 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 Heizschlingen 6 oder ähnliche Energieimpulsüberträger
an solchen Stellen angeordnet werden, an denen eine örtliche Erwärmung die gewünschte Kompensation 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 Energieimpulse vom Hochfrequenzgenerator 5' bewirken
kann.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
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, Energieimpuise
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 auftreffen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Energieimpulse
gleich der Drehzahl des Rotors (1) 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 1 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 de;· Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Winkelbezugssystem
umfaßt, das aus einem festen Kennpunkt (9) am Rotor (1) und einem entsprechenden Meßglied
(10) zur Bestimmung des Phasenwinkels (0) der Unwucht besteht.
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