DE4020119A1 - Verfahren zum erzeugen eines schutzsignals fuer rotierende maschinen zur verhinderung von havarien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Schutzsig­ nals für rotierende Maschinen, insbesondere gleitgelagerte thermi­ sche Turbomaschinen, zur Verhinderung von Havarien mit hohen Schwin­ gungen, das zur Erhöhung der Sicherheit des Betriebes dieser Ma­ schinen dient.

Die Zulässigkeit oder Gefährlichkeit des Betriebszustandes rotie­ render Maschinen wird nach dem Stand der Technik u.a. nach der Intensität der mechanischen Schwingungen von Lagern und/oder Wellen beurteilt. Ist ein gefährlicher Betriebszustand erkannt, muß dieser, abhängig von der Intensität der Gefährlichkeit, plan­ mäßig gesteuert bzw. unverzüglich verlassen werden, um Folgeschä­ den zu vermeiden, wozu in erster Linie die Energiezuführung zur Maschine verringert oder unterbrochen werden muß.

Um diese Wirkungskette zu automatisieren, werden nach dem Stand der Technik z.B. Schwingungsmeßgeräte mit Schwellwertschaltern ausgestattet, die nach der Erreichung von Grenzwerten Signale er­ zeugen und weiterleiten, die geeignet sind, die Verringerung oder Unterbrechung der Energiezuführung zur überwachten Maschine zu veranlassen. Auch werden nach dem Stand der Technik zur Vermeidung der Benutzung von fehlerhaften Signalen für die Maschinensteue­ rung die logische Signalverknüpfung (n-1) aus n Geräten oder all­ gemein x von y (DE 30 44 68B) angewendet.

Weiter ist es nach dem Stand der Technik möglich, durch Signal­ analyse der Ausgangssignale von Schwingungssensoren die selektive Gefährlichkeit eines 8etriebszustandes zu diagnostizieren (z.B. DD 2 05 998, 1 58 581), wobei eine vergleichende Bewertung von Qualität und Quantität durch einen Diagnostiker erforderlich ist.

Diesen nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren haften fol­ gende Nachteile an:

• - Dem Menschen als Bewerter von Qualität und Quantität der Gefähr­ lichkeit einer Schwingungsanomalie kann nur die Möglichkeit zum Wirksamwerden gegeben werden, wenn die automatische Wirkungs­ kette unterbrochen ist und Aufmerksamkeit und Zwang zum Handeln optisch oder akustisch erzwungen werden.
• - Durch Unterbrechung der automatischen Wirkungskette kann bei einer Reihe schwerwiegender Fehler, bei denen unverzögerte Unterbrechung der Energiezuführung geboten ist, sich ein Folge­ schaden entwickeln, dessen Auswirkung ein Mehrfaches des Pri­ märschadens beträgt.
• - Die Möglichkeit der Erzeugung falscher oder zu allgemeiner Alarme kann zu schwerwiegenden wirtschaftlichen Schäden führen, wenn die Chance zur Abwendung der Gefahr durch steuernden Ein­ griff oder Entscheidung für die Verringerung der Energiezufuhr zu einem wirtschaftlich günstigerem Zeitpunkt ungenutzt bleiben.

Das Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Sicherheit des Be­ triebes von Turbomaschinen gegenüber Havarien, die im Schwingungs­ verhalten ihren Ausdruck finden. Dazu ist ein Verfahren zu ent­ wickeln, mit dem der gefährliche Betriebszustand sicher erkannt wird, Fehlalarme mit hoher Sicherheit vermieden werden und die Schadensausweitung in der Zeit auf ein Minimum reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaf­ fen, das es gestattet, insbesondere bei Turbomaschinen mit mehre­ ren gekoppelten Läuferstrangabschnitten, die jeweils beidseitig gelagert oder in 3-Lageranordnung ausgeführt sind, durch zyklische Bewertung von Meßsignalen aus Schwingungssensoren, die die Bewe­ gung von Lagern und Wellen in elektrische Signale umwandeln und ge­ eignete Verarbeitung der elektrischen Signale zum Zweck der ein­ deutigen Erkennung unzulässiger Betriebszustände, der Selektion ihrer besonderen Gefährlichkeit sowie der Bestätigung der so er­ kannten unzulässigen 8etriebszustände durch redundante Informa­ tionen, unverzögert auf die gefährdete Maschine so einzuwirken, daß der gefährliche Betriebszustand so schnell wie möglich verlassen wird.

Erfindungsgemäß werden die Meßsignale in den Läuferstrangabschnit­ ten zugeordnete Signalgruppen geteilt, wobei zu jeder Signalgruppe mindestens die Meßsignale zweier Lagerschwingungssensoren und eines Wellenschwingungssensors gehören. Signale der jeweils äußeren Schwingungssensoren jeder Signalgruppe werden gleichzeitig der be­ nachbarten Signalgruppe zugerechnet. Innerhalb jeder Signalgruppe werden aus den Meßsignalen mindestens zweier Lagerschwingungssen­ soren ein Summensignal, aus den Meßsignalen mindestens einer der Lagerschwingungssensoren und des Wellenschwingungssensors ein selektiver Signalanteil, z.B. die 1. Harmonische, und aus der zeitlichen Anderung des selektiven Signalanteils zwischen zwei Bewertungszyklen ein Transientensignal gebildet und mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen. Bei Grenzwertüberschreitungen dieser drei gebildeten Signale werden Teilalarmsignale ausgelöst, logisch "und" verknüpft und das Ausgangssignal dieser Verknüpfung als Schutz­ signal zur Information und/oder Steuerung der Turbomaschine heran­ gezogen.

Der Erfindung liegen folgende Uberlegungen zugrunde:

• - Schwingbewegungen von Lagern und Wellen eines Maschinenmodells sind nach Gesetzen der Rotordynamik miteinander gekoppelt nach der Funktion K (S) = S_L (x, y) = S_W (x, y, c, D) (für lager- und Wel­ lenschwingungen in der gleichen Ebene) bzw. über ein Kollektiv von Einflußkoeffizienten α_iK (für La­ ger- oder Wellenschwingungen in unterschiedlichen Ebenen), wo­ nach erfindungsgemäß redundante Informationen aus unterschied­ lichen Sensoren gewonnen werden können. Diese gesetzmäßige Ab­ hängigkeit wird ausgenutzt für die Erkennung des gefährlichen Betriebszustandes bei gleichzeitiger Vermeidung eines Fehlalarms durch Fehler in der Meß- und Signalverarbeitungsanlage.
• - Das zu betrachtende Maschinenmodell ist im einfachen Fall ein auf zwei Lagern angeordneter Läufer und im allgemeinen Fall ein mehrfach gekoppelter Läuferstrang auf mehreren Lagern.
• - Erfahrungsgemäß kann im allgemeinen Fall der Koppeleinfluß auf die vom betrachteten Läufer ausgeführten Lager- und Wellenbewe­ gungen sowie die von den unmittelbar benachbarten Läufern ausge­ führten Lager- und Wellenbewegungen vereinfacht reduziert werden.
• - In Zusammenfassung der rotordynamischen Gesetzmäßigkeiten und der Erfahrungen über Koppeleinflüsse kann ein mehrfach gekoppel­ ter und gelagerter Wellenstrang bei der Überwachung auf Havarie­ ereignisse behandelt werden wie mehrere Läufer.
• - Die Erfindung hat den Vorteil, daß die abgeleiteten Signale ur­ sachenselektiv sind, z.B. durch plötzliche Veränderung der dreh­ frequenten Signalanteile als Hinweis auf Masseverlust oder Läufer­ verkrümmung. Durch logische "und"-Verknüpfung der nichtselektiven Alarmsignale mit den ursachenselektiven Alarmsignalen wird er­ reicht, daß sowohl die rechtlichen Grundlagen für automatische Maschinensteuerung als auch die diagnostischen Informationen für eine Maschinenhavarie gegeben sind. So erzeugte Alarmsignale können sowohl zur Information für das Bedienungspersonal als auch zur automatischen Einwirkung auf die Energiezuführung zur gefährdeten Maschine benutzt werden.

Die nähere Erläuterung erfolgt an Hand der Zeichnung in Verbindung mit der Wirkungsweise. Es zeigen:

Fig. 1 den Abschnitt eines Modells einer zu schützenden Maschine,

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Bewertungsschaltung,

Fig. 3 die Prinzipskizze eines realen Turbosatzes in Verbindung mit einer Auswerteschaltung zur Auslösung eines Alarms.

Die erfindungsgemäße Lösung setzt ein Schwingungsüberwachungs­ system voraus, daß die in der Charakteristik der bekannten techni­ schen Lösungen aufgestellten Forderungen erfüllt. Beispielsweise ist ein Meß- und Überwachungsprinzip nach DD 1 58 581 zugrunde zu legen. Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird nach­ stehend eine bevorzugte Verfahrensform und Vorrichtung für die er­ findungsgemäße Lösung dargestellt. Bei dem Modell gemäß Fig. 1 ist der Läufer auf den Lagern 0, 1, 2, 3 gelagert. Die Bewegungen des Läufers und der Lager werden mittels Sensoren W1, L0, L1, L2, L3 in x- und y-Richtung erfaßt und in elektrische Signale gewandelt. Die Verarbeitung der Meßsignale erfolgt in einer dem Stand der Technik entsprechenden Bewertungsschaltung, wodurch für die ein­ zelnen Meßgrößen Informationen über eventuelle Grenzwertverletzung der Summensignale GW SUM (L) bzw. selektiver Signalanteile, wie der 1. Harmonischen GW 1N (L/W) bzw. deren zeitliche Änderung zwi­ schen zwei Bewertungszyklen GW T1N (L/W) erzeugt werden. Diese Informationen werden in einer Logigschaltung gemäß Fig. 2 "und"- verknüpft, wodurch erreicht wird, daß das Ausgangssignal der Logigschaltung A1 sowohl Informationen rechtlicher Art (Stan­ dard, Bedienungsanweisung) als auch diagnostischer Art (es wird ein einstellbar schwerwiegender Schaden einer wesentlichen Bau­ gruppe diagnostiziert) enthält. Gleichzeitig ist das Signal A1 ein durch redundante Informationen aus unterschiedlichen Sensoren gesicherter und geprüfter Alarm. Da eine reale Turbomaschine nach Fig. 3 in der Regel ein mehrfach gelagertes und gekoppeltes System von mehreren Läufern ist, werden bei Vorliegen entsprechender Situationen der Läufer bzw. Teilmaschinen 1 bis 3 die Alarme A1 bis A3 der Teilmaschinen innerhalb übergreifender Signalgruppen gebildet, die durch gestrichelte Linien in Fig. 3 angedeutet sind und logisch "oder" zum Informations- und/oder Steuersignal A ver­ knüpft. Das Signal A dient dazu, mit Hilfe dem Stand der Technik entsprechender Einrichtungen zum Signalisieren eines gefährlichen Zustandes und/oder automatischen Einwirken auf die Energiezufüh­ rung zur gefährdeten Maschine, diese zu schützen. Die logischen Verknüpfungen werden vorzugsweise in einer speicherprogrammier­ baren Rechenschaltung durchgeführt, um das System wegen der Viel­ zahl der einfließenden Signale und Informationen schaltungstechnisch und prüftechnologisch beherrschbar zu machen.

Claims (1)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Schutzsignals für rotierende Maschi­ nen, vorzugsweise thermische Turbomaschinen, mit mehreren ge­ koppelten Läuferstrangabschnitten, die jeweils beidseitig oder in 3-Lageranordnung gelagert sind, durch zyklische Bewertung von Meßsignalen eines installierten Schwingungsüberwachungssystem mit Lager- und Wellenschwingungssensoren, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßsignale in den Läuferstrangabschnitten zugeordnete Signalgruppen eingeteilt werden, wobei zu jeder Signalgruppe mindestens die Meßsignale zweier Lagerschwingungssensoren und eines Wellenschwingungssensors gehören, daß Signale der jeweils äußeren Schwingungssensoren jeder Signalgruppe gleichzeitig der benach­ barten Signalgruppe zugerechnet werden und daß innerhalb jeder Signalgruppe aus den Meßsignalen mindestens zweier Lagerschwingungs­ sensoren ein Summensignal, aus den Meßsignalen mindestens eines der Lagerschwingungssensoren und des Wellenschwingungssensors ein selektiver Signalanteil, z.B. die 1. Harmonische, und aus der zeitlichen Anderung des selektiven Signalanteils zwischen zwei Be­ wertungszyklen ein Transientensignal gebildet, mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen, bei Grenzwertüberschreitungen dieser drei gebildeten Signale Teilalarme ausgelöst und logisch "und" ver­ knüpft werden und das Ausgangssignal dieser Verknüpfung als Schutzsignal zur Information und/oder Steuerung der Turbomaschine herangezogen wird.