DE69329116T2

DE69329116T2 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung der vibrationserregung eines axialverdichters.

Info

Publication number: DE69329116T2
Application number: DE69329116T
Authority: DE
Inventors: E. Gallus; Herwart Hoenen; A. Walter
Original assignee: Dow Deutschland Inc
Current assignee: Dow Deutschland Inc
Priority date: 1992-08-10
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2013-06-17
Also published as: WO1994003864A1; EP0654163A4; KR100304466B1; ATE195021T1; US5541857A; AU4637493A; MX9304822A; DE69329116D1; ES2148235T3; CA2141592A1; EP0654163A1; JPH08503042A; EP0654163B1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung Zur Überwachung und Steuerung/Regelung der Vibrationserregung eines Axialverdichters, wobei der Verdichter einen Rotor und ein Gehäuse umfaßt, wobei der Rotor innerhalb des Gehäuses zur Drehung um eine Drehachse mit variabler oder konstanter Drehzahl drehbar angeordnet ist, wobei der Verdichter ferner wenigstens eine Verdichterstufe umfaßt, wobei jede der wenigstens einen der Stufen eine Reihe von Rotorblättern umfaßt, die an dem Rotor angebracht sind und hintereinander in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse angeordnet sind, und eine Reihe von Statorblättern umfaßt, welche an dem Gehäuse angebracht sind und hintereinander in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse angeordnet sind.
Die Erfindung sorgt für eine Überwachung von Vibrationserregungen von entweder Mehr- oder Einstufenverdichtern mit der Möglichkeit, den Verdichter gemäß den erfaßten Vibrationserregungen zu steuern/regeln. Ein Verdichter kann als eine isolierte Einheit oder in Verbindung mit einer Triebwerksturbine betrieben werden, wie es der Fall bei einem Kraftwerksbetrieb wäre. Der Verdichter kann außerdem Teil einer Gasturbine sein, die zum Antrieb von Flugzeugen, Schiffen oder großen Fahrzeugen verwendet wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Verdichter bestehen aus einer Serie von rotierenden oder stationären Blätterreihen, wobei die Kombination eines Rotors (kreisförmig rotierende Blätterreihe) und eines Stators (kreisförmig stationäre Blätterreihe) eine Stufe ausbilden. Innerhalb des Rotors wird kinetische Energie auf die Gasströmung (üblicherweise Luft) durch die einzelnen Blätter mit Flügelprofil transferiert. In dem nachfolgenden Stator wird diese Energie als ein Druckanstieg in der gasförmigen Luft infolge der Verlangsamung der gasförmigen Luftströmung manifestiert. Diese Verlangsamung der gasförmigen Luftströmung wird durch das Design des Statorabschnitts bewirkt. Das Druckverhältnis (Ausgangsdruck/Einlaßdruck) einer einzelnen Stufe ist wegen der inneren aerodynamischen Faktoren begrenzt, so daß in vielen Turboverdichteren mehrere Stufen miteinander verbunden sind, um höhere Druckverhältnisse zu erreichen als sie durch eine einzige Stufe erreicht werden könnten.
Beim Betrieb eines Axialverdichters treten mechanische Vibrationen der Verdichterkomponenten, speziell der Rotor- und Statorblätter auf. Ein wichtiger Grund für diese mechanischen Vibrationen sind Druckfluktuationen innerhalb der Verdichterstufen.
Die Luftfluidströmung um jedes Blatt bzw. jede Schaufel besitzt eine zugeordnete Grenzschicht, welche jedes Blatt umhüllt und im Fall der Rotorblätter mit dem Blatt zusammenhängt. Die einem Rotorblatt zugeordnete Strömungsgrenzschicht wird als eine zugeordnete Größe des Blatts rotieren, wenn sich das Blatt selbst dreht. An der stromabwärtigen Kante jedes Blatts verschmilzt diese Strömungsgrenzschicht in einer zugeordneten Strömungsgrenzgröße, die als der "Senken- oder Nachlaufbereich" (delve or wake region) bekannt ist, welcher durch eine lokale Verminderung sowohl des Drucks als auch der Strömungsgeschwindigkeit gekennzeichnet ist. Daher erzeugt jeder Rotor an seinem stromabwärtigen Ende einen Bereich mit periodisch ändernden Strömungs- und Druckcharakteristika mit einer charakteristischen Frequenz. Diese charakteristische Frequenz ist das Produkt der Zahl der Rotorblätter und der vorhandenen Drehzahl. Die Frequenz dieser Rotor-induzierten Druckfluktuationen hängt daher von der Drehzahl ab. Die Druckfluktuationen des Rotors von einer Stufe interferieren mit den Druckfluktuationen des Rotors der benachbarten Stufen. Im Fall von unterschiedlichen Blätterzahlen dieser Rotoren werden Interferenzdruckfluktuationen mit einer Interferenzfrequenz erzeugt, die entweder die Differenz oder die Summe der charakteristischen Frequenzen dieser beteiligten Rotoren ist.
Während sowohl Statorblätter als auch Rotorblätter in dem Verdichter einer Beschädigung von mit der Vibrationserregung verbundenen Kräften ausgesetzt sind, sind die Rotorblätter infolge der zusätzlichen Zentrifugalkräfte, welche mit den durch Vibration verursachten Kräften in Wechselbeziehung stehen können, besonders gefährdet. Abhängig von den Blattkonstruktionen liegt wenigstens eine Resonanzfrequenz der Vibrationserregung des Blatts zwischen 100 und 1000 Hz. Die vorangehend erwähnten charakteristischen Frequenzen liegen in einem Bereich von 4000 Hz und darüber, wenn der Verdichter mit seiner Betriebsdrehzahl arbeitet; die Interferenzdruckfluktuationen besitzen jedoch Frequenzen, die auch zwischen 100 und 2000 Hz liegen. Somit besteht die Gefahr, daß im Fall von sehr leichten Veränderungen der Verdichterdrehzahl während des normalen Betriebs die Blätter beeinflußt werden, so daß sie durch die Interferenzdruckfluktuationen mit ihrer Grundresonanzfrequenz vibrieren. Der Rotor oder die Statorblätter können dann beschädigt werden oder sogar brechen.
Heutige Turbomotoren sind üblicherweise mit Kraftstoff- oder Leistungssteuer/- regelsystemen ausgerüstet, welche eine Vielzahl von Betriebsparametern für den gesamten Motor messen und ausgeben. Solche Steuer/Regelsysteme beinhalten sehr genaue Druckmeßeinrichtungen oder Druckmeßsysteme. Beispielsweise sind Druckmeßsysteme beschrieben in dem am 27. Mai 1980 im Namen von Robert C. Sell et al. eingereichte U.S.-Patent Nr. 4,322,977, das "Pressure Measuring System" betitelt ist; dem im Namen von Frank J. Antonazzi, et al. am 06. März 1984 veröffentlichten U.S.-Patent Nr. 4,434,664 mit dem Titel "Pressure Ratio Measurement System"; dem von Ohnesorge et al. am 27. Dezember 1983 veröffentlichten U.S.-Patent Nr. 4,422,335 mit dem Titel "Pressure Transducer"; dem im Namen von Frank J. Antonazzi et al am 22. Mai 1984 veröffentlichten U.S.-Patent Nr. 4,449,409 mit dem Titel "Pressure Measurement System With A Constant Settlement Time"; dem im Namen von Frank J. Antonazzi et al. am 03. Juli 1984 veröffentlichten U.S.-Patent Nr. 4,457,179 mit dem Titel "Differential Pressure Measuring System"; und dem im Namen von Frank J. Antonazzi et al am 20. Dezember 1983 veröffentlichten U.S.-Patent Nr. 4,422,125 mit dem Titel "Pressure Transducer With An Invariable Reference Capacitor".
Die deutsche Patentveröffentlichung (Auslegeschrift) 20 49 338 offenbart die Erfassung von mechanischen Vibrationen von Rotorblättern. Ein elektromagnetischer Sensor, der an dem Verdichtergehäuse angeordnet ist, erfaßt den Durchgang der Rotorblätter durch magnetische Induktion. Im Fall von Blattvibrationen ist die Signalausgabe des Sensors eine periodische Welle mit einer charakteristischen Frequenz, die jedoch durch die Vibrationsfrequenz der Blätter moduliert ist. Eine elektronische Schaltung extrahiert die Modulationswellenform aus dem Sensorsignal. Durch dieses bekannte Verfahren werden die tatsächlich induzierten mechanischen Vibrationen einer einzelnen Stufe gemessen. Im Fall einer Hochresonanzvibrationserregung mit einer rasch ansteigenden Vibrationsamplitude der Blattvibration ist es wichtig, daß eine evtl. Vibrationserregung so früh als möglich erfaßt wird, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Das bekannte Verfahren, sich auf die Erfassung von mechanischen Vibrationen zu verlassen, ist nicht für die Anforderung der Früherfassung von unakzeptablen Bedingungen geeignet, da die fundamentalen Ursachen der Vibrationen für einige Zeit bestehen können, bevor mechanische Vibrationen erfaßbar sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur online-Überwachung von Vibrationserregungen eines Axialverdichters bereitzustellen, das eine frühe Warnung von Vibrationserregungen von Verdichterkomponenten bereitstellt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung von Vibrationserregung eines Axialverdichters bereitzustellen, welches die Erregungsverhinderung von mechanischen Blattvibrationen ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung von Vibrationserregung eines Axialverdichters bereitzustellen, das unter Verwendung herkömmlicher Berechnungstechniken für die Signalauswertung eine online-Überwachung mit schnellem Ansprechen erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung/- Regelung eines Axialverdichters bereitzustellen, so daß der Verdichter mit optimaler Effizienz nahe seiner Lastgrenzen betrieben werden kann. Eine oder mehrere dieser Aufgaben werden durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird das Frequenzsignal im Bereich der vorbestimmten kritischen Frequenz überwacht. Im Fall des Auftretens eines Spitzenwerts des Frequenzsignals wird das Zustandsänderungssignal erzeugt. Somit werden Druckfluktuationen, welche in der Lage sind, mechanische Blattvibrationen zu verursachen, erfaßt, während sie auftreten, d. h. bevor mechanische Vibrationen tatsächlich verursacht werden. Es ist einfach, verschiedene kritische Frequenzen zu überwachen. Da sich die Druckfluktuationen über den gesamten Axialverdichter erstrecken, ist es möglich, den Axialverdichter über nur eine Druckerfassungseinrichtung zu überwachen. Das Frequenzsignal kann einfach aus den Frequenzsignalen unter Verwendung herkömmlicher Auswertungstechniken z. B. der schnellen Fourier-Transformation (FFT) oder der schnellen Hartley-Transformation (FHT) gewonnen werden. Es sind keine Modellberechnungen notwendig.
Für das Verfahren gemäß der Erfindung ist nur der zeitlich variierende Teil des Absoltdrucks von Interesse. Die Druckfluktuationen können direkt durch einen piezoelektrischen oder piezoresistiven Drucksensor, besonders einen piezokapazitiven Drucksensor gemessen werden. Eine weitere weniger bevorzugte Druckerfassungseinrichtung ist ein Dehnungsmesser-Drucksensor.
Der Spitzenwertparameter, der die Form des charakteristischen Spitzenwerts anzeigt, kann die Höhe des Spitzenwerts sein. In diesem Fall ist der Parameter einfach zu bestimmen und kann leicht mit einem Grenzwert oder mit den Grenzen eines erlaubten Bereichs verglichen werden. Um die mechanische Erregung der am meisten gefährdeten Komponenten des Verdichters zu überwachen, ist die kritische Frequenz als eine Torsionsvibrationsgrundfrequenz oder eine höhere Oberschwingung davon oder/und als eine Biegevibrationsgrundfrequenz oder eine höhere Oberschwingung davon definiert.
Um eine Überwachung des sehr breiten Frequenzbereichs zu erreichen, reicht das Frequenzintervall von 0 bis 20000 Hz. Ein bevorzugter Bereich des Frequenzintervalls ist 100 bis 2000 Hz, in welchem die meisten Erregungsfrequenzen während des Betriebs des Verdichters auftreten. Um zusätzlich die mechanische Vibrationserregung des Verdichters zu überwachen, kann wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung an dem Gehäuse des Verdichters angeordnet sein.
Um Informationen bezüglich der mechanischen Vibrationserregung des gesamten Verdichters zu erhalten, ist es bevorzugt, die mechanischen Vibrationserfassungseinrichtungen nahe den axialen Enden des Gehäuses anzuordnen. Zusätzlich wird ein zweites Zustandsänderungssignal erzeugt, das einen Übererregungszustand des Gehäuses anzeigt, falls der Übererregungszustand des Gehäuses erfaßt wird, wodurch eine zusätzliche Möglichkeit der Bestimmung eines Übererregungszustands des Verdichters gegeben ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung/Regelung eines Axialverdichters, welches auf dem Verfahren zur Überwachung eines Axialverdichters gemäß der Erfindung basiert, mit dem zusätzlichen Merkmal, daß wenigstens ein Zustandsänderungssignal, das von dem Verfahren gewonnen wird, dafür verwendet wird, den Axialverdichter zu steuern/regeln. Wenn während des Betriebs des Verdichters eine Zunahme des Erregungsspitzenwerts, der in einem vorbestimmten Frequenzbereich liegt, erfaßt wird oder wenn der Betrag einer Vibrationserregung, der durch wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung erfaßt wird, die an dem Gehäuse des Verdichters angeordnet ist, zunimmt, kann diese Zunahme als eine Eingabe zur Steuerung/Regelung des Axialverdichters auf eine Weise verwendet werden, um den Betriebszustand des Verdichters in einer Richtung zu steuern/regeln, wo die vorbestimmten Frequenzbereiche des Frequenzsignals keine Erregungsfrequenzen enthalten oder keine mechanischen Erregungen vorkommt, so daß eine Beschädigung der Verdichterkomponenten verhindert werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Überwachung der Vibrationserregung eines Axialverdichters gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zur Überwachung der Vibrationserregung eines Axialverdichters. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Steuerung/Regelung eines Axialverdichters gemäß dem oben erwähnten Verfahren zur Steuerung/Regelung der Vibrationserregung eines Axialverdichters.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung und die Zeichnungen verwiesen.
Fig. 1 ist eine vereinfachte graphische Darstellung eines Axialverdichters als Teil einer Gasturbine;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Verdichters von Fig. 1, welche eine Verdichterstufe des Verdichters veranschaulicht;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm des dynamischen Druckmeßfühlers, der mit einer Auswertungseinheit verbunden ist;
Fig. 4 ist ein Campbell-Diagramm, das die Torsions- und Biegeresonanzfrequenzen einer Stufe eines Verdichters wie auch die Erregungs frequenzen zeigt, die in einem Verdichter als eine Funktion der Drehzahl des Verdichters auftreten; und
Fig. 5 zeigt ein Frequenzsignal, das verschiedene Erregungsspitzenwerte zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in der gleiche Zahlen durchwegs gleichen Elementen entsprechen, wird zuerst auf die Fig. 1 und 2 verwiesen, in welchen ein typisches Verdichterteil eines Gasturbinenmotors dargestellt ist (das die Erfindung umfaßt). Der Verdichter 10 besteht aus einem Niederdruckteil 12 und einem Hochdruckteil 14. Rotorblätter 16 des Verdichters sind an einer Welle 18 eines Rotors 20 angeordnet. Statorblätter 22 (Führungsfinnen) sind in einem Gehäuse (Ummantelung) 24 des Verdichters 10 angeordnet und sind daher stationär. Luft tritt an einem Einlaß 26 des Gasturbinenmotors ein und wird axial zu den Verdichterstufen des Verdichters unter Druckzunahme zu einem Auslaß 28 transportiert. Eine Achse 30 des Verdichters ist als Drehachse des Rotors 20 definiert.
Jede der erwähnten Verdichterstufen besteht aus zwei Reihen von Blättern mit gleicher Blattzahl, nämlich einer Reihe von Rotorblättern 16 und einer Reihe von Statorblättern 22. Die Blätter von jeder Reihe sind hintereinander in Umfangsrichtung bezüglich der Achse 30 angeordnet. Fig. 2 zeigt eine erste Verdichterstufe des Verdichters mit Rotorblättern 16 und Statorblättern 22, wobei die Stufe eine Zwischenstufe in dem Hochdruckteil 14 des Verdichters 10 sein kann. Der Verdichter 10 umfaßt gemäß Fig. 1 ein zusätzliches Getriebe 30, das die Orientierungseinstellung der Blätter ermöglicht, um die Last der jeweiligen Stufen zu ändern. Fig. 1 zeigt ferner einen Nebenluftsammler 31 zwischen dem Niederdruckteil 12 und dem Hochdruckteil 14. Da der Verdichter, der in Verbindung mit der Erfindung verwendet wird, eine herkömmliche Bauart besitzt, ist es nicht notwendig, weiter ins Detail zu gehen.
Gemäß der Erfindung ist eine Druckerfassungseinrichtung in der Form eines dynamischen Drucksensors 32 in den axialen Spalten zwischen den Rotorblättern 16 und den Statorblättern 22 der Zwischenstufe im Hochdruckteil 14 des Verdichters 10 angeordnet. Gemäß der am meisten bevorzugten Ausführungsform, welche in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist dieser dynamische Drucksensor in der vierten Stufe des Hochdruckteils des Verdichters 10 angeordnet. Eine Einlaßöffnung 35 des Sensors 32 fluchtet mit einer Innenumfangsfläche 34 einer Wand 36, welche das Gehäuse 24 definiert. Somit mißt der Sensor 32 die an der Innenumfangsfläche 34 auftretenden Druckfluktuationen. Da der Sensor 32 in dem Bereich des Axialspalts zwischen der Reihe von Rotorblättern 16 und den Statorblättern 22 angeordnet ist, welche den Rotorblättern stromabwärts folgen, ist der Sensor 32 für Druckfluktuationen sensitiv, welche in der Luft auftreten, die durch den Verdichter strömt.
Anstelle den Sensor 32 direkt in eine Öffnung 40 (Bohrloch) zu montieren, ist es auch möglich, einen länglichen Adapter (nicht gezeigt) zu verwenden, welcher mit einem seiner Enden an der Öffnung 40 angeordnet ist und an seinem anderen Ende den Sensor trägt.
Die dargestellte Anordnung des Sensors 32 an der vierten Stufe des Hochdruckteils des Verdichters 10 ist bevorzugt, da in diesem Bereich die Gefahr der Blattbeschädigung durch Vibrationserregung sehr hoch ist. Zusätzlich kann in diesem Bereich eine Überwachung von Erregungsfrequenzen in der Luftströmung des gesamten Verdichters erreicht werden. Obwohl nicht veranschaulicht, können zusätzliche Drucksensoren in Stufen angeordnet sein, welche stromaufwärts oder stromabwärts von dieser Stufe liegen, um zusätzliche Information über das Auftreten von Erregungsfrequenzen in der Luftströmung zu erhalten. Dynamische Drucksensoren, bevorzugt piezoelektrische Drucksensoren werden wegen ihrer Zuverlässigkeit, Funktionsfähigkeit bei hohen Temperaturen und Sensitivität für hohe Frequenzdruckfluktuationen bis zu 20000 Hz verwendet (beispielsweise Kistler Drucksensor, Typ 6031).
Zusätzlich können mechanische Vibrationserfassungseinrichtungen 33, 35 an dem Gehäuse 24 angeordnet sein. Diese mechanischen Vibrationserfassungseinrichtungen 33, 35 stellen zusätzlich die Möglichkeit bereit, einen mechanischen Erregungszustand des Gehäuses 24 zu überwachen. Obwohl nicht veranschaulicht, können die jeweiligen von diesen Sensoren gelieferten Signale auf dieselbe Weise und durch entsprechende Einrichtungen ausgewertet werden, wie später für die von den Drucksensoren gelieferten Signale, und somit eine zusätzliche Möglichkeit zur Überwachung und Steuerung/Regelung des Verdichters bereitstellen.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ist der Sensor mit einem Verstärker 42 versehen, der das jeweilige Sensorsignal verstärkt. Der Verstärker 42 ist über Leitungen 44, 46 mit einer Auswertungseinheit 48 verbunden.
Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält die Auswertungseinheit 48 einen schnellen Fourier-Transformations (FFT) -Analysator 50, welcher Signale vom Verstärker 42 durch einen Analog-Digital-Umwandler ADC (oder Multiplexer) 52 empfängt, der zwischen dem Verstärker 52 und dem FFT-Analysator 50 angeschlossen ist.
Die Signale von dem FFT-Analysator werden zu einer Computereinheit 54 übertragen, welche mehrere Untereinheiten umfaßt, unter denen sich ein Blatterregungsdetektor 60 befindet. Neben diesem Blatterregungsdetektor 60 können weitere Detektoren für den Zustand des Verdichters angeordnet sein, z. B. ein Strömungsabriß-Detektor 58 zur Überwachung des Betriebszustands des Verdichters 10 und einen Verunreinigungsdetektor 56 zur Erfassung von Verunreinigung des Verdichters 10. Jedoch kann die Erregungsüberwachung gemäß der Erfindung auch unabhängig von der Strömungsabriß-Erfassung und der Verschmutzungserfassung durchgeführt werden.
Um die Verarbeitung der Frequenzsignale zu erleichtern, welche von dem FFT- Analysator 50 ausgegeben werden, kann eine Einheit 62 zur Signalvor bereitung zwischen dem FFT-Analysator 50 und den Detektoren 56, 58 und 60 vorgesehen sein. Die Einheit 62 enthält Filteralgorithmen zur Handhabung und Glättung von digitalen Daten, wie sie vom FFT-Analysator empfangen werden. Die resultierenden Frequenzsignale von dem FFT-Analysator werden, nachdem sie über die Einheit 62 geglättet sind, zu den Detektoren 56, 58, 60 zum Vergleich mit dem jeweiligen Referenzmustern geschickt. Wenn die Vergleichsanalysatoren Abweichungen jenseits einer vorbestimmten erlaubten Schwelle anzeigen, wird die berechnete Auswertung zu einer Zustandsanzeigeeinheit 64 übertragen, um eine Verunreinigung oder Strömungsabriß- oder Blatterregung anzuzeigen. Somit kann der Betrieb und der Zustand des Verdichters 10 überwacht werden.
Unabhängig von dieser Überwachung ist es ferner möglich, die berechnete Auswertung für Steuer/Regelzwecke zu verwenden. Eine jeweilige Verdichtersteuer/regeleinheit 66, die mit der Auswertungseinheit 48 verbunden ist, ist auch in Fig. 3 gezeigt und dient zur Steuerung/Regelung des Verdichters 10. In dem Fall eines anormalen Zustands des Verdichters, der durch einen der Detektoren 56, 58, 60 erfaßt wird, nimmt die Verdichtersteuer/regeleinheit 66 Maßnahmen vor, um das Risiko der Beschädigung des Verdichters 10 zu vermeiden, z. B. indem die Last verringert wird (Orientierungseinstellung der Blätter mittels des Getriebes 30) oder durch Reduzierung der Kraftstoffeinspritzrate des Verbrennungsmotors, um die Drehzahl zu reduzieren. Unter gewissen Umständen kann die Verdichtersteuer/regeleinheit 66 den Verdichter 10 anhalten.
In den Detektoren 56, 48, 60 wird das geglättete Frequenzsignal ausgewertet, wobei das Frequenzsignal für die Amplituden der Frequenzbestandteile des jeweiligen Sensorsignals in einem jeweiligen Frequenzintervall bezeichnend ist.
Als ein Beispiel für die praktische Verwendung der Erfindung zeigt Fig. 4 ein Campbell-Diagramm einer Verdichterstufe (vierte Stufe), die in dem Hochdruckteil eines Verdichters (General Electric Aeroderivative LM 5000) liegt, wobei die Abszisse die Drehzahl des Verdichters anzeigt und die Ordinate die Vibrationsfrequenzen anzeigt. Mehrere kritische Resonanzfrequenzen von mechanischen Blattvibrationen sind durch horizontale Linien angedeutet. Diese Frequenzen entsprechen der ersten Biegeerregung (Frequenz 1B) und der ersten Torsionserregung (Frequenz 1T) der Blätter dieser Stufe als auch höherer Oberschwingungen dieser Erregungen (2B, 3B, 4B; 2T). Weitere Linien mit einer konstanten Steigung bezeichnen Frequenzen von Druckfluktuationen der Luft, welche durch den Verdichter strömt. Die primären Druckfluktuationen beruhen auf den Nachlaufbereichen an der stromabwärtigen Kante von jedem der Rotorblätter, welche mit dem Rotor rotieren. Somit ist ihre Frequenz die vorliegende charakteristische Frequenz (das Produkt der Zahl der Rotorblätter und der vorhandene Drehzahl des Motors). Die Linien R1 bis R5 entsprechen den primären Druckfluktuationen. Die primären Druckfluktuationen der Rotorstufen beeinflussen sich gegenseitig, und erzeugen so sekundäre Druckfluktuationen mit den üblichen bekannten Überlagerungsfrequenzen (Summenwert und Differenzwert der Frequenzen der sich gegenseitig beeinflussenden primären Druckfluktuationen). In Fig. 4 zeigen einige Linien die niedrigsten Überlagerungsfrequenzen an, die als Linien R1 - R2, R4 - R1, R5 - R3, R4 - R3 und R5 - R4 dargestellt sind und den sekundären Druckfluktuationen mit den Differenzfrequenzen der jeweiligen sich gegenseitig beeinflussenden primären Druckfluktuationen entsprechen (charakteristische Frequenz der ersten Stufe minus charakteristische Frequenz der zweiten Stufe usw.).
Gemäß Fig. 4 kommt in einem Niederfrequenzbereich 75, der die erste und zweite Biegeerregung (1B, 2B) und die erste Torsionserregung (1T) der Blätter enthält, die höchste Dichte an Erregungsfrequenzen über den gesamten Drehzahlbereich des Verdichters vor. Somit besteht dort eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß Resonanzblatterregungen innerhalb dieses Frequenzbereichs 75 in dem gesamten Betriebsgeschwindigkeitsbereich des Verdichters verursacht werden.
Folglich wird das Frequenzsignal vorzugsweise in diesem niedrigen Frequenzbereich beobachtet, mit dem jeweiligen Auftreten von Druckfluktuationen mit kritischen Frequenzen, welche bestimmten Resonanzfrequenzen der Blätter entsprechen. In dem Bereich von jedem der kritischen Frequenzen (1B, 28, 1T) wird ein vorbestimmter Frequenzbereich 76, 78, 80 gesetzt. Während der Überwachung der Vibrationserregung des Verdichters werden die Signale analysiert, um die Existenz von Frequenzbestandteilen in diesen vorbestimmten Bereichen 76, 78, 80 zu bestimmen. Ein Wert, der die Höhe eines Spitzenwerts bezeichnet, der in einem dieser vorbestimmten Frequenzbereiche 76, 78, 80 liegt, wird gewonnen und auf eine Zunahme seiner Höhe hin überwacht. Als die Messung durchgeführt wurde, die zur Fig. 5 führte, wurde die Drehzahl auf einen Wert eingestellt, der durch die Linie V in Fig. 4 bezeichnet ist. In Fig. 5 ist ein Frequenzsignal dargestellt, das Erregungsspitzenwerte R5 - R4, R4 - R3, R3 - R1, R5 - R3, R4 - R1, R1 - R2 enthält, die den sekundären Druckfluktuationen entsprechen, welche in Fig. 4 als Linie R5 - R4, R4 - R3, R3 - R1, R5 - R3, R4 - R1, R1 - R2 gezeigt sind. Die Frequenzbereiche 76, 78, 80 entsprechen den jeweiligen Frequenzbereichen in Fig. 4. Für jeden der vorbestimmten Frequenzbereiche 76, 78, 80 wird ein vorbestimmter Schwellenwert 70, 72, 74 gesetzt. Diese vorbestimmten Schwellenwerte 70, 72, 74 können für jede der kritischen Resonanzfrequenzen der Rotorkomponenten unterschiedlich sein, da die Gefahr einer Beschädigung der Rotorkomponenten für unterschiedliche Resonanzvibrationserregungen unterschiedlich sein kann. Wenn während des Betriebs des Verdichters sich wenigstens eine der Erregungsspitzenwerte R5 - R4, R4 - R3, R3 - R1, R5 - R3, R4 - R1, R1 - R2 in einem der vorbestimmten Frequenzbereiche 76, 78, 80 verschiebt und wenn die Höhe dieses wenigstens einen Erregungsspitzenwerts den entsprechenden Schwellenwert 70, 72 bzw. 74 übersteigt, wird ein Zustandsänderungssignal durch den Blatterregungsdetektor erzeugt und der Zustandsanzeigeeinheit 64 zugeführt, um so das Auftreten von gefährlichen Druckfluktuationen in der Luft, welche durch den Verdichter strömt, anzuzeigen.
Somit wird während der Überwachung der Vibrationserregung eines Verdichters das Auftreten von Druckfluktuationen in der Luft, welche durch den Verdichter strömt, überwacht. Die Schwellenwerte für Druckfluktuationen in dem Bereich von kritischen Frequenzen können auf sehr niedrig Werte gesetzt sein, um so in der Lage zu sein, das Auftreten von Druckfluktuationen mit Frequenzen im Bereich einer kritischen Frequenz anzuzeigen, bevor eine Erregung von Verdichterkomponenten stattfinden kann.
Die Erfassung von solchen Erregungsfrequenzen kann auch für die Steuerung/- Regelung mit Rückführung des Verdichters verwendet werden. Wenn die gemessene Höhe von dem wenigstens einen Erregungsspitzenwert den entsprechenden Schwellenwert im Bereich einer kritischen Resonanzfrequenz übersteigt, empfängt die Verdichtersteuer/regeleinheit 66 das jeweilige Steuer/Regelsignal, um die Drehzahl des Verdichters zu erhöhen oder zu verlangsamen, um so einen Betriebszustand zu verlassen, in welchem eine der Erregungsfrequenzen, abhängig von der Drehzahl, wie in Fig. 4 gezeigt, einer Erregungsresonanzfrequenz der Rotorkomponenten entspricht.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung von Vibrationserregung eines Axialverdichters (10), wobei der Verdichter einen Rotor und ein Gehäuse umfaßt, wobei der Rotor drehbar innerhalb des Gehäuses zur Drehung um eine Drehachse mit variabler oder konstanter Drehzahl angeordnet ist, wobei der Verdichter ferner wenigstens eine Verdichterstufe umfaßt, wobei jede der wenigstens einen der Verdichterstufen eine Reihe von Rotorblättern umfaßt, die an dem Rotor angeordnet sind und in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse hintereinander angeordnet sind, und eine Reihe von Statorblättern umfaßt, die an dem Gehäuse angeordnet sind und in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse hintereinander angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

a) Messen der Druckfluktuationen innerhalb wenigstens einer der Verdichterstufen mittels wenigstens einer Druckerfassungseinrichtung, wobei jede Druckerfassungseinrichtung jeweils ein Sensorsignal liefert;

b) Herleiten eines Frequenzsignals aus jedem der Sensorsignale, wobei das Frequenzsignal einen Satz einer Mehrzahl von Frequenzkomponenten von jedem der jeweiligen Sensorsignale in einem jeweiligen Frequenzintervall umfaßt, wobei jedes Frequenzsignal die Amplituden von jeder der Frequenzkomponenten von den jeweiligen Sensorsignalen innerhalb des jeweiligen Frequenzintervalls anzeigt;

c) Überprüfen, ob wenigstens eine Frequenzkomponente in dem wenigstens einen der Frequenzsignale ferner einen Erregungsspitzenwert umfaßt, der einer Resonanzfrequenz der Rotorblätter in einem Bereich von wenigstens einer kritischen Frequenz entspricht und Bestimmen wenigstens eines Spitzenwertparameters, der wenigstens einen Erregungsspitzenwert anzeigt;

d) Erzeugen eines ersten Zustandsänderungssignals, das eine Änderung des Betriebszustands des Verdichters anzeigt, falls der Spitzenwertparameter einen Wert besitzt, der jenseits eines vorbestimmten Wertebereichs liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckerfassungseinrichtung an dem Gehäuse zwischen den Rotorblättern und den Statorblättern von einer der Verdichterstufen angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Frequenzsignal durch schnelle Fourier-Transformation (FFT) erhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Frequenzsignal durch schnelle Hartley-Transformation (FHT) erhalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckerfassungseinrichtung einen piezoelektrischen oder piezoresistiven Drucksensor umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Spitzenwertparameter die Höhe des Spitzenwerts des Erregungsspitzenwerts anzeigt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Höhe des Spitzenwerts als das Verhältnis einer Differenz zwischen einem Maximalwert von dem Satz von Frequenzkomponenten eines Frequenzsignals in dem Bereich der kritischen Frequenz und einem Mittelwert des Satzes von Frequenzkomponenten innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs um die kritische Frequenz zu dem Mittelwert definiert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kritische Frequenz als eine Torsionsvibrationsgrundfrequenz der Blätter definiert ist.

9. Verfahren nach Anspruch βττττττ, wobei die kritische Frequenz als eine höhere Oberschwingung der Torsionsvibrationsgrundfrequenz definiert ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kritische Frequenz als eine Biegevibrationsgrundfrequenz der Blätter definiert ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die kritische Frequenz als eine höhere Oberschwingung der Biegevibrationsgrundfrequenz definiert ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Frequenzintervall 0 Hz bis 20000 Hz beträgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Frequenzintervall 100 Hz bis 2000 Hz beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung an dem Gehäuse angeordnet ist, die eine mechanische Vibrationserregung des Gehäuses erfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung nahe einem Ende des Gehäuses angeordnet ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein zweites Zustandsänderungssignal erzeugt wird, das einen übermäßigen Erregungszustand des Gehäuses anzeigt, falls die mechanische Vibrationserfassungseinrichtung einen übermäßigen Vibrationserregungszustand des Gehäuses erfaßt.

17. Verfahren zur Steuerung/Regelung der Vibrationserregung eines Axialverdichters, das ein Verfahren zur Überwachung der Vibrationserregung eines Axialverdichters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 umfaßt, ferner umfassend den folgenden Schritt:

e) Verwenden des ersten Zustandsänderungssignals zur Steuerung/Regelung des Axialverdichters.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung an dem Gehäuse angeordnet ist, welche eine mechanische Vibrationserregung des Gehäuses erfaßt, und wobei ein zweites Zustandsänderungssignal erzeugt wird, das einen übermäßigen Erregungszustand des Gehäuses anzeigt, falls die mechanische Vibrationserfassungseinrichtung einen übermäßigen Vibrationserregungszustand des Gehäuses erfaßt, wobei das zweite Zustandsänderungssignal zur Steuerung/Regelung des Axialverdichters verwendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung nahe einem Ende des Gehäuses angeordnet ist.

20. Einrichtung zur Überwachung der Vibrationserregung eines Axialverdichters, wobei der Verdichter einen Rotor und ein Gehäuse umfaßt, wobei der Rotor innerhalb des Gehäuses zur Drehung um eine Drehachse mit variabler oder konstanter Drehzahl drehbar angeordnet ist, wobei der Verdichter ferner wenigstens eine Verdichterstufe umfaßt, wobei jede der wenigstens einen der Verdichterstufen eine Reihe von Rotorblättern umfaßt, die an dem Rotor angeordnet sind und in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse hintereinander angeordnet sind und eine Reihe von Statorblättern, die an dem Gehäuse angeordnet sind und in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse hintereinander angeordnet sind, wobei die Einrichtung umfaßt:

wenigstens eine Druckerfassungseinrichtung zur Messung von Druckfluktuationen innerhalb wenigstens einer der Verdichterstufen, wobei die Druckerfassungseinrichtung ein Sensorsignal liefert, wenigstens eine Transformationseinheit zur Herleitung eines Frequenzsignals aus jedem der Sensorsignale, wobei das Frequenzsignal einen Satz einer Mehrzahl von Frequenzkomponenten von jedem der jeweiligen Sensorsignale in einem jeweiligen Frequenzintervall umfaßt, wobei jedes Frequenzsignal die Amplituden von jeder der Frequenzkomponenten der jeweiligen Sensorsignale innerhalb des jeweiligen Frequenzintervalls anzeigt, eine Spitzenwertauswertungseinheit, die dafür vorgesehen ist, zu überprüfen, ob wenigstens eine Frequenzkomponente in wenigstens einem der Druckfluktuationsfrequenzsignalmuster zusätzlich einen Erregungsspitzenwert umfaßt, der einer Resonanzfrequenz der Rotorblätter in einem Bereich wenigstens einer kritischen Frequenz entspricht, um wenigstens einen Spitzenwertparameter zu bestimmen, der wenigstens einen Erregungsspitzenwert anzeigt, und zur Erzeugung eines ersten Zustandsänderungssignals, falls das Spitzenwertparametersignal einen Wert besitzt, der jenseits eines vorbestimmten Wertebereichs liegt, und eine Zustandsanzeigeeinheit, welche das erste Zustandsänderungssignal empfängt und den jeweiligen Betriebszustand des Verdichters anzeigt.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, wobei die Druckerfassungseinrichtung an dem Gehäuse zwischen den Rotorblättern und den Statorblättern von einer der Verdichterstufen angeordnet ist.

22. Einrichtung nach Anspruch 20, wobei die Druckerfassungseinrichtung einen piezoelektrischen oder piezoresistiven Drucksensor umfaßt.

23. Einrichtung nach Anspruch 20, wobei die Transformationseinheit eine schnelle Fourier-Transformationseinheit umfaßt.

24. Einrichtung nach Anspruch 20, wobei die Transformationseinheit eine schnelle Hartley-Transformationseinheit umfaßt.

25. Einrichtung nach Anspruch 20, wobei wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung an dem Gehäuse angeordnet ist.

26. Einrichtung nach Anspruch 25, wobei wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung nahe einem Ende des Gehäuses angeordnet ist.

27. Einrichtung nach Anspruch 25, wobei eine Signalauswertungseinheit mit der mechanischen Vibrationserfassungseinrichtung verbunden ist, welche ein zweites Zustandsänderungssignal erzeugt, falls das Gehäuse einem übermäßigen Vibrationserregungszustand unterliegt.

28. Einrichtung nach Anspruch 27, wobei eine Zustandsanzeigeeinheit vorgesehen ist, welche das zweite Zustandsänderungssignal empfängt und den jeweiligen Betriebszustand des Verdichters anzeigt.

29. Einrichtung zur Steuerung/Regelung der Vibrationserregung eines Axialverdichters, welche eine Einrichtung zur Überwachung der Vibrationserregung eines Axialverdichters gemäß einem der Ansprüche 20 bis 28 umfaßt, ferner umfassend eine erste Steuer/Regeleinheit, welcher das erste Zustandsänderungssignal zur Betriebssteuerung/- regelung des Axialverdichters zugeführt wird.

30. Einrichtung nach Anspruch 29, wobei die Druckerfassungseinrichtung an dem Gehäuse zwischen den Rotorblättern und den Statorblättern von einer der Verdichterstufen angeordnet ist.

31. Einrichtung nach Anspruch 29, wobei die Druckerfassungseinrichtung einen piezoelektrischen oder piezoresistiven Drucksensor umfaßt.

32. Einrichtung nach Anspruch 29, wobei die Transformationseinheit eine schnelle Fourier-Transformationseinheit umfaßt.

33. Einrichtung nach Anspruch 29, wobei die Transformationseinheit eine schnelle Hartley-Transformationseinheit umfaßt.

34. Einrichtung nach Anspruch 29, wobei wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung an dem Gehäuse angeordnet ist.

35. Einrichtung nach Anspruch 34, wobei die wenigstens eine mechanische Vibrationserfassungseinrichtung nahe einem Ende des Gehäuses angeordnet ist.

36. Einrichtung nach Anspruch 34, wobei eine Signalauswertungseinheit mit der mechanischen Vibrationserfassungseinrichtung verbunden ist, welche ein zweites Zustandsänderungssignal erzeugt, falls das Gehäuse einem übermäßigen Vibrationserregungszustand unterliegt.

37. Einrichtung nach Anspruch 36, wobei eine Zustandsanzeigeeinheit vorgesehen ist, welche das zweite Zustandsänderungssignal empfängt und den jeweiligen Betriebszustand des Verdichters anzeigt.

38. Einrichtung nach Anspruch 37, wobei eine zweite Steuer/Regeleinheit vorgesehen ist, der das zweite Zustandsänderungssignal zur Betriebssteuerung/Regelung des Axialverdichters zugeführt wird.