Die Beziehung zwischen Turbinenwellenvibration und Lagervibration

Die Beziehung zwischen Turbinenwellenvibration und Lagervibration

In Wärmekraftwerken sind Turbine und Ventile eng miteinander verbunden, wobei Ventile eine entscheidende Rolle bei der Steuerung und dem Schutz der Turbine während des Betriebs spielen. Druckdichtender Absperrschieber werden auch häufig in Wärme- und Kernkraftwerken eingesetzt.
Nachfolgend finden Sie eine kurze Einführung in den Zusammenhang zwischen Turbinenwellenvibrationen und Lagervibrationen.

Wellenvibration
Als Wellenschwingung bezeichnet man die radiale Schwingung der Turbinenwelle. Derzeit werden Turbinenwellenvibrationen üblicherweise mit Wirbelstromsonden gemessen. Die Spule in der Sonde erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld, wenn hochfrequenter Strom durch sie fließt, wodurch ein Wirbelstrom auf der Oberfläche des Rotorwellenzapfens induziert wird. Dieser induzierte Strom wird in Spannung umgewandelt, die sich mit dem Abstand zwischen Wellenoberfläche und Sensor ändert. Dies ermöglicht die Messung von Wellenvibrationen. Wellenvibrationen werden typischerweise als Verschiebung ausgedrückt und in Mikrometern gemessen.

Wird der Wirbelstromsensor am Lager befestigt, misst er die relative Schwingung zwischen Welle und Lager.
Wird der Sensor am Fundament befestigt, kann die gemessene Schwingung näherungsweise als absolute Schwingung der Welle angesehen werden.
Lagervibration
Lagerschwingungen, auch Zapfenschwingungen genannt, sind Schwingungen des Lagergehäuses. Die Messung erfolgt üblicherweise mit berührenden Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren, die direkt am Lagerdeckel befestigt oder magnetisch befestigt werden. Aus diesem Grund wird es manchmal als Schalenvibration oder Kappenvibration bezeichnet. Die Messung erfolgt hauptsächlich in vertikaler Richtung, gefolgt von horizontaler Richtung, wobei axiale Vibrationen als Referenz dienen.

Die Beziehung zwischen Wellenvibration und Lagervibration
Turbinen- oder Generatorrotoren werden von Lagern getragen, und die Vibration der Welle wird zwangsläufig auf die Lager übertragen. Daher besteht eine Korrelation zwischen beiden, einschließlich Amplitude, Phase und Frequenz.

Amplitudenbeziehung
Das Amplitudenverhältnis zwischen Wellenschwingung und Lagerschwingung wird maßgeblich von der Steifigkeit des Lagergehäuses beeinflusst. Typischerweise:

Bei starr gelagerten Lagergehäusen (z. B. gewöhnliche Stehlager) beträgt die Schwingungsamplitude der Welle etwa das 3- bis 6-fache der Lagerschwingung.
Bei Systemen mit geringerer Steifigkeit verringert sich dieses Verhältnis, und in einigen Fällen kann die Lagervibration die Wellenvibration übersteigen (z. B. Niederdruck-Rotorlagergehäuse von Dongfang 60 MW-Einheiten mit Stehlagerkonfigurationen).
Phasenbeziehung
Lagervibrationen werden normalerweise als Geschwindigkeit ausgedrückt und eilen der Wellenvibrationsverschiebung um 90° in der Phase voraus. Bei der Umrechnung von Geschwindigkeit in Verschiebung muss der Phasenwinkel durch Addition von 90° angepasst werden.

Wenn die Vibration durch Unwucht verursacht wird, steht die Phase der unausgeglichenen Masse in einem festen Zusammenhang mit der Wellenvibrationsphase, und ein ähnlicher Zusammenhang besteht bei Lagervibrationen.
Dieser Zusammenhang ermöglicht ein dynamisches Auswuchten vor Ort mithilfe von Lagerschwingungsmessungen.
Frequenzbeziehung
Sowohl Wellen- als auch Lagervibrationen weisen typischerweise nahezu identische Frequenzkomponenten auf. Der Unterschied liegt darin, dass die Umwandlung von Geschwindigkeit in Verschiebung zum Verlust einiger Hochfrequenzkomponenten führt.

Bei der Messung von Schwingungen komplexer mechanischer Strukturen wie Wälzlagern, Lüfternaben oder Pumpenlaufrädern werden Geschwindigkeitswerte häufig zur Fehleranalyse verwendet, da sie umfangreichere spektrale Informationen liefern.
Praktische Anwendungen in Haushaltsturbinen
In häuslichen Turbinen-Generator-Einheiten wird üblicherweise die relative Wellenvibration gemessen, die die Vibration des Rotors relativ zu seiner Halterung oder seinem Gehäuse widerspiegelt. Eine hohe Wellenvibration weist auf eine große Verschiebung des Rotors aus seiner Gleichgewichtsposition während einer Umdrehung hin.

Die Lagerschwingung spiegelt als absolute Schwingung die Schwingung des Lagergehäuses relativ zum Fundament wider. Bei der modernen Turbinenschwingungsüberwachung sind sowohl Wellen- als auch Lagerschwingungen von entscheidender Bedeutung:

Wenn ein Rotor eine minimale relative Wellenvibration, aber eine erhebliche Lagervibration aufweist, bedeutet dies, dass die Verschiebung zwischen der Welle und dem Trägersystem relativ zu einem beweglichen Koordinatensystem, das am Gehäuse befestigt ist, gering ist und ein direkter Kontakt vermieden wird.
Die dynamische Belastung des Rotors und des Trägersystems hängt jedoch auch von der Schwingungsamplitude des Gehäuses selbst ab. Hohe Gehäuse- und Stützvibrationen führen zwangsläufig zu einer hohen dynamischen Beanspruchung des Rotors und seiner Komponenten.
Daher sind übermäßige Wellen- oder Lagervibrationen im Turbinenbetrieb nicht akzeptabel.