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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von Reibung
bei einem Drehkörper, insbesondere zur Überwachung und Diagnose von Reibung in einer
Rotationsmaschine, etwa einer Dampfturbine.
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Als Hauptursachen für Wellenschwingungen einer Dampfturbine können
im allgemeinen herausgestellt werden: die Unwucht eines Drehkörpers, instabile Schwingungen
in Verbindung mit den Lagerölfilmeigenschaften, nichtlineare Schwingungen, Schwingungen
beim blmangelzustand und Reibung.
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Von diesen Ursachen wurden ausser der Reibung alle auf Grund der letzten
Entwicklung der analytischen Techniken ziemlich eingehend analysiert.. Es ist jedoch
sehr schwierig, die Reibung ausschliesslich im Hinblick auf die Wellenschwingungen
zu analysieren, d. h. die Reibung hat weder eindeutige Frequenzmerkmale noch eindeutige
Phasenänderungen.
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Wenn ein Element eines Statorteils eine mechanische Berührung mit
der Oberfläche eines Drehkörpers während dessen Drehung verursacht und dieser Berührungszustand
andauert, erfolgt bekanntlich im Drehkörper eine Verformung, die die Berührung weiter
vergrössert und folglich eine ausgeprägte Reibung hervorbringt.
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Es wurde eine Überwachungsvorrichtung oder dgl. mit einem Breitbandbeschleunigungsoszillator
entwickelt, der am Statorteil, z. B. am Turbinengehäuse, an einer Dampfdichtung
oder an einem ölspritzring, befestigt ist. Mit dieser über wachungsvorrichtung ist
es jedoch schwierig, zwischen Dampfgeräuschen und dem Reiben zu unterscheiden, wobei
die charakteristische Wellenform für die Identifizierung des Reibens selbst nicht
eindeutig ist, so dass diese Vorrichtung keine wirksame tiberwachungsfunktion hat.
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Wenn darüberhinaus zur Dampfabdichtung in einer Dampfturbinw oder
dgl. eine grössere Anzahl von Rippen oder Labyrinthen verwendet wird, gibt es eine
unbegrenzte Anzahl von Teilen, die leicht mit dem Drehkörper in Berührung gebracht
werden können. Deshalb konnte die oben angegebene überwachungsvorrichtung die Stellen,
an denen die Reibung auftritt, nicht genau ermitteln.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Ermitteln
von Reibung, die das Ermitteln einer Reibungserscheinung an einem Drehkörper und
der Position ermöglicht, an der die Reibung am Drehkörper auftritt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die Gegenstände
der Ansprüche 1 bzw. 5.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäss ist somit eine Vorrichtung zur Ermittlung von Reibung
bei einem Drehkörper vorgesehen, die durch Verwendung eines Schallsignals eine Reibungserscheinung
ermittelt, die am Drehkörper auf Grund dessen Berührung mit einem Stator auftritt,
wobei der Drehkörper durch Schmieröl verwendende Lager gelagert ist. Die Ermittlungsvorrichtung
enthält einen Schallsignaldetektor an wenigstens einem der Lager, der ein durch
das Innere der Welle des Drehkörpers übertragenes Geräusch auf Grund der am Drehkörper
auftretenden Reibung ermittelt, so dass die Reibung auf Grund dieses Ermittlungssignals
festgestellt wird.
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Die Erfindung ermöglicht durch diese Anordnung eine genaue Identifizierung
und Diagnose der am Drehkörper auftretende Reibungserscheinung und die Ermittlung
der Stelle, an der die Reibung auftritt.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt eines Dampfturbinenrotors,
bei dem die Erfindung angewendet ist; Fig. 2 einen Schnitt mit Einzelheiten des
Lagerteils von Fig. 1; Fig. 3 eine schematische Darstellung des Lagerteils zur Erläuterung
des Prinzips der Reibungsmessung nach der Erfindung; Fig. 4 experimentelle Werte,
die den Übertragungszustand des Schallsignals im Dampfturbinenrotor angeben; Fig.
5 ein Blockdiagramm mit der Anordnung der Reibungsermittlungsvorrichtung für einen
Drehkörper als Ausführungsform der Erfindung; Fig. 6 ein erläuterndes Diagramm,
das das Prinzip der Positionsermittlung der Reibungsschwingung in der Reibungsermittlungsvorrichtung
von Fig. 5 zeigt; Fig. 7 ein erläuterndes Diagramm, das den Schwellenwert und die
Bereichprüfung zeigt zur in der Reibungsermittlungsvorrichtung von Fig. 5 erfolgenden
Entscheidung über die Reibung.
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Eine Reibungsermittlungsvorrichtung für einen Drehkörper nach der
Erfindung wird im folgenden im Hinblick auf eine bei einer Dampfturbine angewendete
Ausführungsform erläutert.
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Fig. 1 zeigt die Anordnung eines Rotors einer üblichen Dampturbine
mit dem Rotorkörper oder Rotor 1, mit Lagerkörpern 2a, 2b (die Metallauflagen tragen)
von vorderen bzw. hinteren Lagern, die den Rotor 1 tragen, mit einem ölfilm 3 aus
Schmieröl, das zwischen den Rotor 1 und jedes der Lager 2a, 2b geliefert wird, mit
einer zentralen Bohrung 13 des Rotors 1, mit einer Kupplung 14 und mit Schaufeln
17 für den Antrieb. Zur Abdichtung von Dampf zwischen der Aussenseite und jedem
Spalt zwischen benachbarten Stufen sind eine Anzahl von Trennrippen und Labyrinthen
vorgesehen. Es gibt zum Beispiel Dampfdichtungen 8, Membranpackungen 9, Überlaufstreifen
12, dynamische Schaufelrippen 10 und olspritzringe 11. Schallsignalsensoren 4a,
4b sind an den Lagerkörpern 2a bzw. 2b vorgesehen. Ferner dient eine Reibungsdiagnosevorrichtung
100 zur Durchführung der Identifizierung und Diagnose des Auftretens von Reibung
in der Dampfturbine und zur Ermittlung der Stelle, an der die Reibung auftritt,
was auf dem durch die Schallsignalensensoren 4a, 4b ermittelten Signal beruht.
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Fig. 2 zeigt Einzelheiten der Lagerkörper 2a, 2b. Die Welle des Rotors
1 wird über den ölfilm 3 durch die Lagerkörper 2a, 2b getragen, von denen jeder
an seinem Gleitteil mit einer Weissmetallschicht 7 versehen ist. Ein Thermoelement
5a dient zur Messung der Temperatur an jedem der Lagerkörper 2a, 2b, während ein
Thermoelement 5b zur Messung der bltemperaturen dient. Es ist ein Lagerdeckel 6
vorgesehen.
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Schallsignaldetektoren oder -sensoren sind an den Lagerkörpern 2a
bzw. 2b befestigt, vgl. Fig. 1. Ein Leitungsdraht 15 dient zur Herausführung des
durch jeden der Schallsignalsensoren 4a, 4b ermittelten Signals durch den Lagerdeckel
6 Die Schallsignalsensoren 4a, 4b können an den jeweiligen Lagerdeckeln 6 befestigt
werden, obwohl in diesem Fall die Abfühlempfindlichkeit gering wird.
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Im folgenden wird der Vorgang zur Ermittlung der Reibung erläutert.
Wie oben angegeben, besteht die Möglichkeit, dass eine grosse Anzahl von Statorgliedern:inBerührung
mit dem Rotor gebracht wird. Gemäss Fig. 1 sei angenommen, dass ein Glied in Berührung
mit dem Rotor einer Dampfturbine an einem Punkt R gebracht wird, was zum Auftreten
von Reibung führt. Folglich werden an der. Stelle, an der die Reibung auftritt,
ständig Schallsignale erzeugt. Waagerechte und senkrechte Wellen 18 bzw. 19 mischen
sich und werden in der Nähe des Umfangs des Rotors 1 oder in der Nähe der Oberfläche
einer zentralen Bohrung 13 des Rotors 1 übertragen, die sich zum Ende des Rotors
oder einer Kupplung 14 erstreckt. Auf diese Weise werden auf Grund der Reibung Schallsignale
bis in Nähe der Lager übertragen und erreichen über den ölfilm 3 die Lagerkörper
2a, 2b. Die auf diese Weise erhaltenen Schallsignale werden durch die an den Lagerkörper
2a, 2b befestigten Schallsignalsensoren 4a, 4b entnommen und dann in elektrische
Signale umgewandelt. Fig. 3 zeigt den Vorgang, bei dem die Schallsignale von der
Welle zu den Lagern übertragen werden. Die waagerechte Welle 18 und die senkrechte
Welle 19, die von der Schallquelle übertragen werden, werden unter einem gegebenen
Brechungswinkel 20 (a) zum Ölfilm 3 übertragen. Die waagerechte Welle 18 hat die
Eigenschaft, dass sie in diesem Augenblick in eine senkrechte Welle umgewandelt
wird. Das Schallsignal, das durch den ölfilm 3 durchgetreten ist, wird dann unter
dem Brechungswinkel 20 (a) zu den Lagerkörpern 2a, 2b übertragen. In diesem Augenblick
kehrt die aus der waagerechten Welle umgewandelte senkrechte Welle in ihren Ursprungszustand,
d. h. die waagerechte Welle, zurück. Auf diese Weise kommt das Reibungsschallsignal
in den Lagerkörpern 2a, 2b an und wird durch die Schallsignalsensoren 4a, bzw. 4b
ermittelt. Das Schallsignal kann nur bei Bildung des Ölfilms 3 übertragen werden.
Bekanntlich wird bei der Drehung des Rotors und bei der normalen Rotation auf den
Lagern ein ausreichender ölfilm gebildet.
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Fig. 4b zeigt ein experimentelles Ergebnis zum Nachweis des obigen
Prinzips der Übertragung des Reibungsschallsignals. Gemäss Fig.-4b gibt die waagerechte
Achse den Abstand von der Stelle des Auftretens der Reibung an, während R die Reibungsposition
und S die Position des Schallsignalsensors 4b angeben. Die senkrechte Achse gibt
die Intensität des an jeder Position empfangenen Signals ani Die gemessenen Punkte
A bis G und der Schallsignalsensor 4b in Fig. 4b entsprechen den Positionen der
jeweiligen gleichen Symbole in Fig. 4a, die den Rotor 1 der Turbine teilweise zeigt.
Beim Versuch wird ein Schallsignal, das das während des Reibens erzeugte Schallsignal
simuliert, durch eine elektrische Signalserzeugungsvorrichtung auf den die Reibung
erzeugenden Punkt R ausgeübt. Die vom Punkt R aus übertragenen Schwingungswellen
werden an den Punkten A bis G durch Schallsignalsensoren gemessen, die die Signale
empfangen und an den jeweiligen Punkten angeordnet sind.
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Beim Versuch steht der Rotor 1 fest und bildet sich der blfilm 3 als
stationärer ölfilm mit einer gegebenen Dicke aus.
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Der in Fig. 4b gezeigte Lagergeräuschpegel N ist als Untergrundsgeräusch
des Turbinenlagers während der Drehung eingezeichnet, das durch einen weiteren Versuch
gemessen wird.
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Als Ergebnis dieses Versuchs wurde gefunden, dass innerhalb des Rotors
1 ein Schallsignal mit sehr geringer Abschwächung übertragen wird. Wenn auch vor
diesem Versuch im ölfilm 3 eine beträchtliche Abschwächung erwartet wurde, hat sich
durch das Versuchsergebnis erwiesen, dass die Abschwächung zwar auftritt, aber die
empfangene Signalintensität ausreichend höher als der Lagergeräuschpegel N ist und
daher vom Geräusch unterschieden werden kann. Es wurde auch geklärt, dass die in
Verbindung mit Fig. 1 erläuterte Reibung des Rotors 1.durch den ölfilm 3 an den
Lagerkörpern 2.
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2b ausreichend ermittelt werden kann.
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Die Erfindung beruht auf dieser Tatsache und wird im folgenden in
Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform erläutert.
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Fig. 5 zeigt die Anordnung des Reibungssensors für einen Drehkörper
bei einer Ausführungsform der Erfindung. Die Schallsignalsensoren 4a, 4b sind an
den Lagerkörpern 2a bzw. 2b des Rotors 1 angeordnet. Eine Reibungsdiagnosevorrichtung
100 (Fig. 1) enthält Vorverstärker 121a, 121b, Filter122a, 12-2b, Hauptverstärker
123a, 123b, Detektoren 124a, 124b, Vergleicher 125ar 125b, Referenzwellenvorgabeeinrichtungen
126a, 126b zur Erzeugung eines Referenzspitzenwerts, eine Positionsermittlungsschaltung
127, eine Vergleicherschaltung 128, eine Vorgabeeinrichtung 126 zur Erzeugung eines
Spitzenschwellenwerts, eine Entscheidungsschaltung 130, eine Vergleicherschaltung
131, eine Vorgabeeinrichtung 132, die einen der Bereichszuordnung dienenden Referenzwert
(Bereichsreferenzwert) erzeugt, eine Entscheidungsschaltung 133, einen Zähler 134,
einen Vergleicher 135, eine Vorgabeeinrichtung 136, die einen Zählungsratenreferenzwert
erzeugt, eine Entscheidungsschaltung 137 und eine Anzeigeeinheit 138.
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Ein Schallsignal in Form einer Schallwelle, die von der Reibungsschallquelle
her übertragen wird, erreicht von der Welle aus jeden der Lagerkörper 2a, 2b, wird
dann durch jeden der Schallsignalsensoren 4a, 4b in ein elektri.sches Signal umgewandelt
und wird dann durch jeden der Vorverstärker 121a, 121b verstärkt. Von den Ausgängen
der Vorverstärker 121a, 121b werden die ausserhalb eines vorgeschriebenen Bereichs
liegenden Prequenzen in den Filtern 122a bzw. 122b unterdrückt. Die Ausgänge der
Filter 122a, 122b werden dann weiter durch die Hauptverstärker 123a bzw. 123b verstärkt.
Die verstärkten Signale werden durch die Detektoren 124a bzw. 124b ermittelt zur
Bildung uDn Wellen mit einer vorgegebenen Anzahl für eine Schallwelle. Die ermittelten
Schallwellen
werden mit den Referenzspitzenwerten 126a bzw. 126b verglichen, so dass Schallwellen,
die grösser als die'Referenzwerte sind, zur nächsten Stufe übertragen werden. Die
Signale aus den gesonderten Schallsignalsensoren 4a, 4b werden bis zu diesem Schritt
gesondert verarbeitet. Die beiden Signale werden vom nächsten Schritt an kombiniert
verarbeitet.
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In der Positionsermittlungsschaltung 127 wird die Positionsbeziehung
zwischen jedem Detektor und den Reibung erzeugenden Stellen auf Grund der Differenz
zwischen den Ankunftszeiten der elektrischen Signale aus den gesonderten Schallsignalsensoren
erzielt. Fig. 6 zeigt ein Beispiel für die Art der Erzielung der Positionsbeziehung.
In Fig. 6 gibt die'waagerechte Achse die Zeit an. Ein Signal 39 stammt von dem an
der Vorderseite befindlichen Lagerkörper 2a befestigten Schallsignalsensor 4a. Das
Signal 40 stammt von dem an der Rückseite befindlichen Lagerkörpers 2b befestigten
Schallsignalsensors 4b. Bei der Aufnahme durch die Positionsermittlungsschaltung
127 besteht zwischen den jeweiligen Signalen bei 41 eine Zeitdifferenz t; Die Zeitdifferenz
t der Ankunftszeiten der jeweiligen Signale wird in der Positionsermittlungsschaltung
127 berechnet. Da die Abmessungen des Rotors 1 und die Ubertragungsgeschwindigkeit
des Schallsignals vorher bekannt sind, wird auf Grund der Zeitdifferenz t die Positionsbeziehung
zwischen der die Reibung erzeugenden Position und jedem der Schallsignalsensoren
4a, 4b an den jeweiligen Lagerkörpern 2a, 2b erhalten. Je näher sich die Reibungsposition
am an der Vorderseite befindlichen Lagerkörper 2a befindet, umso schneller kommt
das elektrische Signal aus dem an der Vorder seite befindlichen Schallsignalsensors
4a an der Positionsermittlungsschaltung 122 als dasjenige Signal aus dem an der
Rückseite befindlichen Schaltsignalsensor 4b an und uTagekehrt. Die Reibungsposition
wird somit durch die Positionsermittlungsschaltung 127 ermittelt, wobei an der nächsten
Stufe
der ermittelte Wert mit dem durch die Vorgabeeinrichtung 129 festgelegten Spitzenschwellenwert
verglichen wird. Fig. 7 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Vergleichs des ermittelten
Werts mit dem Spitzenschwellenwert und zeigt den Schwellenwert zur Entscheidung
über die Reibung und über die Überprüfung der Bereichsdimensionen. In Fig. 7a bezeichnet
die waagerechte Achse die Posi.tion der Längsrichtung des Rotors, die derjenigen
in Fig. 7b entspricht.
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Die senkrechte Achse in Fig. 7a gibt die Intensität des Signals und
die Zählungsrate an, wobei das Bezugszeichen 43 einen Spitzenschwellenwert bezeichnet.
Das Signal 44, das die durch die Positionsermittlungsschaltung 127 ermittelte Position
darstellt, ist gemäss Fig. 7a verteilt. Die Linie 43 gibt den durch die Vorgabeeinrichtung
129 erzeugten Spitzenschwellenwert an. Durch die Verarbeitung in der Vergleicherschaltung
128 und in der Entscheidungsschaltung 130 erfolgt eine Entscheidung darüber, ob
das Signal 44 die Linie 43 überschreitet oder nicht. Bei der Ausfthrungsform von
Fig. 7 wird entschieden, dass die Teile des Signals 44, die gemäss den Kreisen X,
Y und Z die Linie 43 überschreiten, die jeweilige Reibung angeben. Als nächstes
erfolgt durch die Vergleicherschaltung 131 und die Entscheidungsschaltung 133 eine
Bereichsentscheidung auf Grund des durch die Vorgabeeinrichtung 132 erzeugten Bereichsreferenzwerts.
Mit anderen Worten, es werden die ausserhalb des Bereichs zwischen den beiden Schallsignalsensoren
4,a, 4b (von der einen Kupplung 14 zur anderen Kupplung 14) liegenden Signale unterdrückt.
Somit kann nur die tatsächlich im Rotor 1 auftretende Reibung ermittelt werden.
Diejenigen Teile des Signals, die durch den obigen Vorgang dahingehend identifiziert
wurden, dass sie eine Reibung zeigen, werden in der Anzeigeeinheit 138 angezeigt.
Inzwischen wird durch den Zähler 134 aus der Häufigkeit des Signals 44 eine Zählungsrate
erzielt und erfolgt durch die Vergleicherschaltung 135 und die Entscheidungsschaltung
137 eine Entscheidung-über die Reibung.
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Auf diese Weise kann auf Grund der Signalintensität und der
Erzeugungshäufigkeit
die Reibung identifiziert werden, so dass zuverlässigere Entscheidungen gemacht
werden können.
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Wie oben beschrieben, kann der Reibungsdetektor der Ausführungsform,
bei dem an den Lagern Schallsignalsensoren vorgesehen sind, nicht nur jegliche am
Rotor auftretende Reibung ermitteln, sondern auch die Reibungsauswertung ausführen,
so dass die überwachung, Diagnose und Anzeige der Reibung möglich sind, was einen
grossen industriellen Wert darstellt, Daher kann erfindungsgemäss eine an einem
Drehkörper auftretende Reibungserscheinung ermittelt werden.