Starke Vibrationen bei in Betrieb befindlichen Maschinen

Der Verdacht auf resonanznahe Schwingungen im Betrieb kann mit Hilfe von Modalanalysen durch Anschlagversuche am Gehäuse außen einfach und ohne Demontage des Generators untersucht werden. Parallel zur Messung können FE-Modelle erstellt und anschließend mit Hilfe der Messungen validiert werden. Diese zeitgleich durchgeführten Berechnungen und Messungen erlauben sehr schnell eine genaue Identifizierung der Ursachen und, was noch wichtiger ist, die rasche Entwicklung von Lösungsvarianten zur Schwingungsreduzierung. Das validierte Rechenmodell bietet den großen Vorteil, diejenige Variante zu ermitteln, die mit minimalem Nachrüstaufwand das kleinstmögliche Schwingungsniveau ergibt. Dieses Verfahren führt mit geringstmöglichem finanziellen und zeitlichen Aufwand methodisch sicher zur technisch-wirtschaftlichsten Lösung.[6]

Es bietet sich an, die Berechnungsergebnisse während der Nachrüstarbeiten durch Modalanalysen zu verifizieren, um Abweichungen sofort zu erkennen und um korrigierend eingreifen zu können.

Eine Modalanalyse nach Abschluss der Arbeiten sowie Schwingungsmessungen während der Inbetriebnahme dienen schließlich als Qualitätsnachweis und als Referenzmessung zur Klärung späterer betrieblicher Fragestellungen.

Abbildung 7 zeigt die berechneten und die gemessenen Gehäuseschwingungsformen für einen 4-poligen 50 Hz-Generator. Im Spektrum tritt vor allem ein 400 Hz Peak in Erscheinung. Bei den zugehörigen Schwingungsformen handelt es sich um Beulmoden des Gehäusemantels. Die Modalanalyse zeigt, dass diese Beulmoden in den Zonen der frei tragenden, nicht mit Rippen versteiften Zylinderschale auftreten und Eigenfrequenzen im Bereich um 400 Hz aufweisen. Da die Eigenfrequenzen der Beulmoden mit den Eigenfrequenzen der 8-Knoten Eigenform des Blechpakets zusammenfielen, konnten die beobachteten Gehäuseschwingungen durch 400 Hz Luftspalt-Oberwellen angeregt werden.[3]

Das Rechenmodell hat die Gehäuseschwingungen in Form und Amplitude sehr gut reproduziert. Angeregt wurden die Schwingungen durch eine umlaufende Radialkraftwelle 4. Ordnung mit einer Amplitude von wenigen Hundert Pa. Damit stand ein Modell zur Verfügung, das die Struktureigenschaften des Stators sowie die herrschenden elektromagnetischen Kräfte korrekt wiedergab und folglich als Grundlage für die rasche Entwicklung von Lösungen zur Schwingungsreduktion in hervorragender Weise geeignet war.

Ansatzpunkt zur Gehäuseoptimierung war eine Verstimmung der Beulmoden in der dünnwandigen Zylinderschale. Mit Hilfe dünner Versteifungsrippen, die auf dem Gehäuse außen einfach aufzubringen waren, konnten die Eigenfrequenzen auf Werte größer als 430 Hz verschoben werden. Damit war eine Anregung mit 400 Hz Kraftwellen ausgeschlossen. Großer Vorteil des Rechenmodells war, dass man den Nachrüstaufwand, d.h. Anzahl der Rippen und damit die Gesamtlänge an Schweißnaht minimieren konnte, ohne Abstriche an der notwendigen Verstimmung zu machen. Der Erfolg dieser Maßnahmen konnte abschließend mit Hilfe von Inbetriebnahme Messungen nachgewiesen werden: Die Amplitude des 400 Hz Peaks ging um den Faktor 6-7 auf Werte innerhalb des akzeptierbaren Bereiches zurück.

Dieses Beispiel zeigt die Vorteile der Modalanalyse in Verbindung mit der FE Methode und maßnahmenbegleitenden Verifizierungen der Berechnungsergebnisse mit Hilfe von Anschlagversuchen.

Zusammenfassung

Es sind folgende Schlussfolgerungen zu ziehen Aus physikalischen Gründen müssen Generatorgehäuse schwingen. Die physikalischen Kenngrößen - die Frequenzen, die Amplituden, die Phasenlage - sind jedoch beeinflussbar. Es ist deshalb schon immer eine Aufgabe der Entwicklungsingenieure gewesen, die Schwingungen durch geschickt gewählte konstruktive Maßnahmen in tolerierbaren Grenzen einzufangen.

In der Vergangenheit stand diesem Ziel die hohe Hürde des schwingungstechnisch sehr schwierig zu erfassenden und zu berechnenden Generators entgegen. Erst die Einführung computerbasierter Berechnungsmodelle und deren Anpassung an Generatorspezifika ließen den vorherigen hohen Aufwand für Experimente, Versuchsauswertungen und Felderprobungen mit manchmal ungewissen Ausgängen drastisch sinken.

Als bewährtes und effizientes Werkzeug für Maßnahmen zur Reduzierung von Generator-schwingungen hat sich inzwischen die Modalanalyse in Verbindung mit der Finite-Elemente-Methode und maßnahmenbegleitenden Anschlagversuchen etabliert. Sie ist ein wirkungsvolles Instrument sowohl bei der Bearbeitung von Neuentwicklungen als auch bei Fragen zu Schwingungs-problemen aller Art in Betrieb befindlicher rotierender Maschinen.

Zu ihren großen Vorteilen zählen die einfache Anwendbarkeit, die hohe Qualität der jederzeit reproduzierbaren Ergebnisse, die schnelle Herbeiführung von Lösungsvorschlägen und die Auswahl des Vorschlages mit dem höchsten Nutzen Kostenverhältnis durch computergestützte Variantenrechnungen[1].

Mit ihrer Hilfe wurden unter anderem bei einem großen 4-poligen Stator die Ursachen der erhöhten Gehäuseschwingungen herausgefunden und es wurde eine wirtschaftliche Lösung durch Versteifen von Teilen des Gehäuses erarbeitet. Die gesamte Bearbeitung bis hin zu den abschließenden Messungen am ertüchtigten Gehäuse konnte innerhalb weniger Wochen erfolgreich abgeschlossen werden.

Literaturhinweise

1. “Maßnahmen zur Reduzierung von Gehäuseschwingungen bei Generatoren“: Dr.-Ing. Günter Ebi, Sensoplan AG, Hohentengen

2. H. von Markus, K. Senske: “Engineering of Generators for Large-Capacity Steam Power Plants”, Siemens Power Journal 1/1996, SS. 31-36

3. VibroSystM Inc., Canada: Hydrogenerator Mechanical Tolerances’, 1999, www.vibrosystm.com

4. Bass, Kostyantyn: „Automatisierung der Messbereichsanpassung einer hochdynamischen Abgasmessanlage in Verbindung mit der Moddelierung von HCKonzentrationen“, Universität Kassel, Diplomarbeit, 2009

5. CEB (1976): First Order Reliability Concepts for Design Codes (Documentation), hrsg. von: Comité Européen du Béton, Paris: o. Verlag, 1976

6. DIN ISO 10816 „Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messung an nicht rotierenden Teilen“, Teil 1 bis 6

7. VDI 2056, Ausgabe Oktober 1964 Beurteilungsmaßstäbe für mechanische Schwingungen von Maschinen

Anhang 1

Die Kraftwelle - ведущий вал

Der Grundlage- подложка,(площадка гасящего импульса)

Die Phasenlage- фазовый угол

Die Frequenze- частота

Die Amplitude- амплитуда

Die Materialeigenschaften - свойство материала

hervorragender – выдающийся

Die Referenzmessung- эталонное измерение

Die Verringerung уменьшение

Der Ursprungs -начало координат

Die Segmentierung- деление на сигменты

Die Luftspaltinduktion магнитная индукция в воздушном зазоре

Die Steifigkeit –жесткость

Die Radialspannung -радиальное напряжение

akzeptabel- приемлемый

wahrnehmbar- воспринимаемый

Die Funkenerosion- электроэрозионная обработка

die Polteilung- полюсной шаг

der Finiten Elemente Methode(FE) – метод конечных элементов

der Rahmen- панель(счетчика)

das Periodizität- переодичность

die Kurzschlussfestigkeit защита от коротких замыканий

der Ermüdungsriss усталостная трещина

das Normenwerk- система государственных стандартов

sorgfältig- надежный

der Effektivwert- эффективная величина

doppelter- удваивать

das Wuchten -балансировка

die Ausgleichsstrom -переменный ток

liefert- выдавать

die Oberflächenrauhigkeit- шероховатость

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