Schwingungsüberwachung an einer Maschine mit rotierender Welle

Schutzrechtsanmeldung WO2010130455A2:

Die Erfindung handelt von einer Maschine mit einer rotierenden Welle, mit mindestens einer berührungslos messenden Wegmesssonde zur Messung von relativen Wellenschwingungen, insbesondere nach dem Prinzip der Wirbelstrommessung, mit einem daran anschließenden Transmitter, der ein eingehendes Spannungssignal in einem Betriebszustand B1 und entsprechend einem Bereich M1 als proportionales Ausgangssignal in mA an eine Auswerteinheit weiterleitet, welche bei Überschreiten eines einstellbaren Grenzwertes einen Kontakt für die Auslösung eines Alarms oder für die Abschaltung der Maschine an eine Maschinensteuerung abgibt.

Überwachungssysteme dieser Art werden beispielsweise von der Firma GE ENERGY (1631 Bently Parkway South, Minden, NV 89423, USA unter der Produktbezeichnung „Bently Nevada / 3500 Series / Machinery Protection System“, z.B. Prospektnummer „GEA- 13965 Rev A (11/2006)“) oder der Firma BRUEL & KJAER VIBRO (Skodsborgvej 307 B, 2850 Naerum, Dänemark unter der Produktbezeichnung „VIBROCONTROL-6000 / Dependable Safety Monitoring“, z.B. Prospektnummer „BBR0024-EN – 11“) angeboten.

Viele Maschinen, ganz speziell, wenn sie über ein Stirnradgetriebe angetrieben werden, wie ein Großteil der Turbokompressoren, zeigen nach dem Start im Hochlauf kurze Anstiege des Wellenschwingungspegels, die oberhalb des Abschaltpegels für Normalbetrieb liegen. Ursache hierfür sind unter anderem ein drehrichtungsabhängiges Anheben der Ritzelwelle, sowie Eigenschwingungen des Rotors, sei es beim Durchfahren einer kritischen Drehzahl oder durch Drehmomentschwankungen beim Synchronisieren.

Diese Pegelanstiege sind in der Hochlaufphase durchaus als „üblich“ einzustufen und dürfen zu keiner Abschaltung der Maschine führen. Um eine Abschaltung zu verhindern, wird die Überwachung vom Betreiber überbrückt, was natürlich dazu führt, dass die Maschine in dieser Überbrückungszeit nicht überwacht ist. Die Erfahrung hat gezeigt, dass fatale Schäden oftmals gerade in der Hochlaufphase nach dem Start entstehen.

Teure Schwingungsüberwachungssysteme bieten die Möglichkeit, über so genannte „TRIP-Multiplier“ die Grenzwerte zeitgesteuert (z.B. während der Hochlaufphase) anzuheben. Der Anwender hat damit keine Möglichkeit mehr, die Grenzwerte komfortabel und preiswert im Leitsystem einzustellen.

Die komfortable Grenzwertüberwachung über ein Leitsystem ist dadurch eingeschränkt, dass der Grenzwertparameter stets < 100 % des Messbereichs sein muss. In der Startphase einer Maschine ist diese Forderung oftmals nicht zu erfüllen.

Eine andere gelegentlich benutzte Variante ist eine generelle Abschaltverzögerung, d.h., der Grenzwert muss für eine voreingestellte Zeit überschritten sein. Dies hat den Nachteil, dass diese Verzögerung immer, also auch noch nach der Hochlaufphase wirksam ist und eine unmittelbare Reaktion im Schadensfall verhindert.

Aus der DE 197 21 364 Al ist ein Verfahren zur Auslösung von Schutzmaßnahmen an Rotationsmaschinen bei Auftreten von unzulässigen Vibrationen bekannt, wobei die Schwingungen oder davon abgeleitete Werte als Messgrößen an den Lagern der Rotoren gemessen werden. Eine Besonderheit dieses bekannten Verfahrens besteht darin, dass in einem ersten längeren Zeitintervall eine Anzahl Messdaten dieser Messgröße aufgenommen und mit einer Ausgleichsfunktion aufbereitet werden, dass in einem sich innerhalb des längeren Zeitintervalls befindenden zweiten, kürzeren Zeitintervall in diesem aktuelle Messdaten derselben Messgröße aufgenommen und mit den aufbereiteten Messdaten des längeren Zeitintervalls verglichen werden, und dass je nach dem Vergleichsergebnis ein diesem entsprechendes Überwachungssignal ausgelöst wird. Die Abschaltfunktion ist dabei immer von vorausgehenden, als Mittelwert im Zeitintervall gemessenen Daten abhängig, wodurch ein stetiges Ansteigen der Vibrationen erst relativ spät erfasst werden kann, nämlich dann, wenn dieser Mittelwert stetig mitwächst. Aus der DE 199 07 454 Al ist ein Verfahren zur modellbasierten, schwingungsdiagnostischen Überwachung rotierender Maschinen bekannt, wobei vorgesehen ist, relevante Einflussgrößen auf das Schwingungsverhalten eines Rotors durch Aufteilung in Betriebsparameter und in Zu Standsparameter zu ermitteln und in einem Modell abzu speichern, um mit beeinflussbaren Betriebsparametern einen schwingungsärmeren Betrieb 2×1 erreichen. Mit der Diagnose werden dabei am Modell auch die vorab festgelegten Referenzbetriebsparameter anteilsmäßig festgelegt, um die von aktuellen Betriebsparametern erzeugten Schwingungsanteile in Abzug zu bringen und nur die extrahierten Anteile sichtbar zu machen, die aus Veränderungen des Maschinenzustandes resultieren.

Aus der DD 15 85 81 sind ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Schwingungsüberwachung rotierender Maschinen bekannt. Ziel ist dabei eine Schadensfrüherkennung, wozu eine breitbandige und selektive Schwingungsüberwachung zur Diagnose des mechanischen Zu Standes und des Betriebsverhaltens der jeweiligen Turbomaschine gegenüber dem Neu- oder Normalzustand vorgesehen ist. Dabei werden neben Summenpegelwerten in einer selektiven Messwerterfassung zur Diagnose und Weiterverarbeitung komplett für harmonische Signalanteile und ihre vektorielle Veränderung untersucht und im Zeitintervall gegenüber früheren Bezugspegelwerten komplexen harmonischen Bezugsanteilen verglichen und ausgewertet.

Aus der DE 10 2007 039 699 Al ist ein Verfahren zum Überwachen einer Vorrichtung bekannt, wobei eine frequenzbandbezogene Schallüberwachung an einer oder mehreren Mess-Positionen in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Vorrichtung ausgeführt wird und wobei der Betriebspunkt in einem ein- oder mehrdimensionalen zugehörigen Betriebsraum liegt, insbesondere der von den der Vorrichtung zugeordneten Zustandsgrößen aufgespannt wird. Im Einzelnen werden erzwungene Gehäuseschwingungen mit einem Beschleunigungssensor an einem Getriebe erfasst. Der gemessene Körperschall wird in zwei Frequenzbändern überwacht, insbesondere mit Fourrier-Transformation weiterverarbeitet und zu anderen Betriebsgrößen wie Wellenschwingungen oder Zahneingriffsfrequenzen in Verbindung gebracht, um aus in einem ersten Zeitintervall erfassten Messgrößen Grenzwerte zu berechnen, deren Überschreitung in einem zweiten Zeitintervall für eine Alarmierung oder Abschaltung verwendbar ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die den bekannten Systemen innewohnenden Nachteile zu vermeiden und hinsichtlich der vorstehend konkret aufgeführten Fälle Abhilfe zu schaffen. Dies wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 erreicht.

Dabei ist besonders von Bedeutung, dass für die Schwingungsüberwachung wesentliche Wechsel von Betriebszuständen zwangsweise aus dem Verhalten der Maschine über das Messsignal erfasst werden und zu einer Messbereichsumschaltung führen, wobei der neue Messbereich so gewählt wird, dass der für den neuen Betriebszustand gewünschte Grenzwert der unveränderten Einstellung in der nachgeschalteten Steuerung, z.B. SPS oder Prozessleitsystem, entspricht und für den neuen Betriebszustand als zulässig erkannte Messwerte diesen Grenzwert nicht verletzen.

Als Messsonden können neben Wirbelstromsonden auch Induktivaufnehmer oder andere geeignete, berührungslos messende Wegmesssonden verwendet werden.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit einem geringen Aufwand spezielle Betriebszustände B2, deren zulässige Grenzwerte für die Schwingungen einer Welle vom Grenzwert für Normalbetrieb abweichen, mit der Auswertung für Normalbetrieb überwachbar sind. Damit sind diese Maschinen ganzzeitig mit den jeweils zulässigen Grenzwerten überwachbar.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass für jede Messstelle der Zeitpunkt t2 für das Ende des Messbereichs M2 festgelegt werden kann. M2 ergibt sich aus den Schwingungsspitzen, die in dem speziellen Betriebszustand B2, z.B. der Hochlaufzeit, auftreten. Dadurch wird ein Optimum an Sicherheit für die ganze Anlage erreicht.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass diese Lösung der allgemeinen Entwicklung hin zu zentralen Prozessleitsystemen entgegenkommt. Immer öfter geht man dazu über, die Grenzwerte nicht in einem Schwingungsüberwachungssystem, sondern im Leitsystem zu überwachen. Meist wird dabei das 4…20-mA-Ausgangssignal des Schwingungsüberwachungssystems auf Grenzwertüberschreitung überwacht. Genau betrachtet übernimmt damit das teure Schwingungsüberwachungssystem nur noch die Aufgabe mehrerer Transmitter.

Der Grund, warum man immer mehr zum Prozessleitsystem hintendiert, ist die zentrale Einstellbarkeit, der geringere Verdrahtungsaufwand und Kosteneinsparungen. Von der Gesamtinvestition für ein Schwingungsüberwachungssystem entfallen ca. 50 % auf den Überwachungsmonitor.

Schutzansprüche:

1. Maschine mit einer rotierenden Welle (1), mit mindestens einer berührungslos messenden Wegmesssonde (2) zur Messung von relativen Wellenschwingungen, insbesondere nach dem Prinzip der Wirbelstrommessung, mit einem daran anschließenden Transmitter (4), der ein eingehendes Spannungssignal (16) in einem Betriebszustand B1 und entsprechend einem Bereich M1 als proportionales Ausgangssignal (17) in mA an eine Auswerteinheit (5) weiterleitet, welche bei Überschreiten eines einstellbaren Grenzwertes (7) einen Kontakt für die Auslösung eines Alarms oder für die Abschaltung der Maschine an eine Maschinensteuerung (20) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich M des Transmitters (4) entsprechend den Forderungen für bestimmte Betriebszu stände anpassbar ist, dadurch dass eine Logik-Einheit (26) die Notwendigkeit für einen Übergang zu zumindest einem speziellen Betriebszustand B2 erkennt und dann den Bereich des Transmitters (4) von einem Messbereich M1 auf einen Messbereich M2 ändert, indem sie den ursprünglichen Messbereich M1 mit dem Quotienten k aus „Grenzwert“ (21) im Messbereich M2 zu „Grenzwert (7)“ im Messbereich M1 multipliziert, wodurch das Ausgangssignal (17) des Transmitters (4) in der Form beeinflusst ist, dass die Grenzwerte (7; 21) der verschiedenen Bereiche M1, M2 stets einem gleichen Transmitterausgangssignal (yn; ys) entsprechen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche 2 bis 7 gegeben.

PDF-Download:
https://patentimages.storage.googleapis.com/b7/3f/ba/6d8c07a9f81820/WO2010130455A2.pdf

Produktumsetzung:
Universaltransmitter für Wirbelstromsonden VibroUniT: http://www.kmo-vibro.de/images/PDF/pr_vibrounit_de_20130601.pdf