DE3725123A1 - Method for selective vibration monitoring of rotating machines - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Selektivität bei der Schwingungsüberwachung für die Diagnose und Überwachung des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen, insbesondere gleitgelagerter thermischer Turbomaschinen mit dem Ziel der Schadensvermeidung, Schadensfrüherkennung und Vermeidung von Folgeschäden.The invention relates to a method for increasing the selectivity in vibration monitoring for diagnosis and monitoring the mechanical condition and the operating behavior rotating machines, especially sliding thermal ones Turbo machines with the aim of avoiding damage, early detection of damage and avoiding consequential damage.
Nach wie vor sind in nationalen und internationalen Standards und Richtlinien Überwachungsverfahren für Schwingungen an rotierenden Maschinen festgelegt, die vor einer globalen Beurteilung des Schwingungsniveaus ausgehen. Zur Bewertung mechanischer Schwingungen an Lagern wird beispielsweise die Schwingungsintensität an den Außenflächen von Lagergehäusen im Frequenzbereich von 10 bis 1000 Hz als Meßgröße festgelegt. Bei Wellenschwingungen wird vorzugsweise der maximale Wellenausschlag als Beurteilungsgröße verwendet. Die Effektivwertbestimmung (Bildung des quadratischen Mittelwertes) bzw. die Ermittlung des Spitzenwertes bei Wellenschwingungen hat zur Folge, daß alle wesentlichen Informationen des Schwingungssignales (z. B. Frequenzanteile, Phasenlage) für eine weitere diagnostische Verarbeitung verloren gehen und nicht zur Verfügung stehen.Are still in national and international standards and Guidelines Monitoring procedures for vibrations on rotating Machines set up before a global assessment of the Run out of vibration levels. For the evaluation of mechanical vibrations For example, the vibration intensity is displayed on bearings the outer surfaces of bearing housings in the frequency range from 10 to 1000 Hz as the measured variable. With wave vibrations is preferred the maximum wave deflection is used as the assessment variable. The effective value determination (formation of the quadratic Mean value) or the determination of the peak value for shaft vibrations has the consequence that all essential information of the vibration signal (e.g. frequency components, phase position) get lost for further diagnostic processing and not be available.
Die bekannten Verfahren nach DD-WP 158 581 und DD-WP 221 550 gehen von einer ursachbezogenen selektiven Überwachung aus, gekennzeichnet durch:The known methods according to DD-WP 158 581 and DD-WP 221 550 go from a cause-related selective monitoring by:
- - Realisierung einer phasenstarren, auf den Rotor bezogenen, Erfassung der Lager- und Wellenschwingungssignale,- Realization of a phase-locked detection related to the rotor the bearing and shaft vibration signals,
- - selektive Verarbeitung der Schwingungssignale über Ordnungsanalyse, d. h. automatische Berechnung und Überwachung von Schwingungszeigern (Beträge und Phasenwinkel) für die bei gleitgelagerten Turbomaschinen typischen Hauptfrequenzanteile (drehfrequent, doppeltdrehfrequent),- selective processing of the vibration signals via order analysis, d. H. automatic calculation and monitoring of vibration indicators (Amounts and phase angle) for those with plain bearings Main frequency components typical of turbomachinery (rotational frequency, double rotational frequency),
- - Zusammenfassung des restlichen Spektrums zu einer neuen Kenngröße, dem "Schwingungsrestwertpegel", der dem Signalpegel entspricht, wenn der dreh- und doppeltdrehfrequente Anteil eliminiert wird,- Summary of the remaining spectrum into a new parameter, the "residual vibration level" which corresponds to the signal level, if the rotational and double rotational frequency component is eliminated,
- - FFT-Analysen zur Ermittlung weiterer Signalkomponenten erfolgen nur, wenn der Schwingungsrestwertpegel oder seine Veränderung feinfühlig vorgegebene Grenzwerte verletzt.- FFT analyzes are carried out to determine further signal components only if the residual vibration level or its change is sensitive specified limit values violated.
Die Nachteile bestehender Systeme liegen in der ungenügenden, willkürlichen Bestimmung der Systemkonstanten. Dabei wird ein beliebiger Zustand als Bezugszustand definiert. Diese Herangehensweise berücksichtigt nicht Veränderungen, die aus dem normalen Schwankungsbereich der beeinflussenden Betriebsparameter resultieren. Außerdem sind die meßbaren Wirkungen im Schwingungsverhalten abhängig von den konstruktiven Besonderheiten des jeweiligen Turbosatzes, der jeweiligen Meßstelle und der Fahrweise des Turbosatzes.The disadvantages of existing systems lie in the insufficient, arbitrary Determination of the system constants. It will be any State defined as reference state. This approach takes into account not changes that are out of the normal fluctuation range of the influencing operating parameters result. Besides, they are measurable effects in vibration behavior depending on the constructive Special features of the respective turbo set, the respective measuring point and the driving style of the turbo set.
Es ist das Ziel der Erfindung, die Diagnosemöglichkeiten an gleitgelagerten Turbomaschinen im Sinne der Schadensfrüherkennung sowie der zustandsabhängigen Instandhaltung zu erhöhen. Insbesondere geht es darum, typspezifische, meßortabhängige Kenngrößen der Schwingungsdiagnostik zu bestimmen, um den mechanischen Zustand und dessen Veränderungen eindeutig bewerten zu können.It is the aim of the invention, the diagnostic options on plain bearings Turbo machines in the sense of early damage detection and to increase condition-based maintenance. In particular, it works therefore, type-specific, location-dependent parameters of vibration diagnostics to determine the mechanical state and its changes to be able to clearly evaluate.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung soll die Selektivität der Überwachung rotierender Maschinen zur Feststellung von anomalen Betriebszuständen auf ein optimales Maß erhöht werden, das die gegenwärtige Erkennbarkeitsschwelle für Anomalitäten qualitativ erheblich erweitert.The selectivity of the monitoring is intended with the solution according to the invention rotating machines for the detection of abnormal operating conditions be increased to an optimal level that the current one Detectability threshold for anomalies significantly expanded in quality.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schwingungsdiagnostik an gleitgelagerten Turbomaschinen zu schaffen, das es gestattet, die konstruktiven Besonderheiten der betreffenden Anlagen im allgemeinen sowie ihrer Fahrweise im speziellen durch weiterführende Betrachtung der Schwingungszeiger (Betrag und Phasenwinkel) zu berücksichtigen.The invention has for its object a method for vibration diagnosis to create on slide-bearing turbomachinery that it allows the structural peculiarities of the systems concerned in general as well as your driving style in particular further consideration of the vibration indicators (amount and phase angle) to consider.
Erfindungsgemäß erfolgt die Meßwerterfassung von Wellen- und/oder Lagerschwingungssignalen, indem in einem Zeigerspeicher die zur Drehfrequenz harmonischen Signalanteile - insbesondere die erste und zweite Harmonische - bei verschiedenen Zuständen abgelegt werden, die dadurch charakterisiert sind, daß sie einen im normalen Betrieb typischen Schwankungsbereich für die Betriebsparameter überstreichen. In einem Bezugswertspeicher wird das arithmetische Mittel für jeden Signalanteil abgelegt. Um die mittleren Bezugszeiger entstehen Schwankungsbereiche, die die konstruktiven Besonderheiten des Turbosatzes, die Besonderheiten seiner Fahrweise und des jeweiligen Meßortes erfassen und den realen Normalbereich kennzeichnen. Der Bezugswertzeiger kennzeichnet den Mittelpunkt einer Fläche, die den Normalbereich umfaßt. Ein Überwachungsmodul hat die Aufgabe, den Differenzzeiger zwischen aktuellem Zustand und mittlerem Bezugszustand zu ermitteln und mit der Erstreckung des Normalbereiches zu vergleichen, um eventuelle Verletzungen des Normalbereiches zu signalisieren. Nach der Erfahrung ist die Erstreckung der Fläche um die mittleren Bezugszeiger an den verschiedenen Meßstellen unterschiedlich groß. Insbesondere dann, wenn parameterabhängige Schwingungen vorliegen, ergeben sich große Streubereiche. Erfindungsgemäß findet das dadurch Berücksichtigung, daß zusätzlich zum Zeigerspeicher ein Parameterspeicher gebildet wird, der zum jeweiligen Meßpunkt die zugehörigen Betriebsparameter erfaßt. Ist die Anzahl der Einzelmessungen genügend groß, können zusätzlich charakteristische Kennzahlen nach statistischen Methoden geschätzt werden. Ein sogenannter Regressator stellt eine Funktion bereit, mit der es möglich wird, den Bezugswert vorauszubestimmen. Damit entsteht ein parameterabhängiger Bezugszeiger, der es gestattet, insbesondere die betriebsparameterabhängigen Schwankungen zu erfassen. Durch dieses Verhalten wird die Selektivität der Überwachung zur Feststellung von anomalen Betriebszuständen wesentlich erhöht.According to the invention, the measurement of wave and / or Bearing vibration signals by the in a pointer memory Rotational frequency harmonic signal components - especially the first and second harmonic - stored in different states which are characterized by being one in normal Operation typical fluctuation range for the operating parameters paint over. The arithmetic Filed for each signal portion. Around the middle reference pointer fluctuation ranges arise, which are the constructive peculiarities of the turbo set, the peculiarities of its driving style and the Record the respective measuring location and mark the real normal range. The reference value pointer marks the center of one Area that covers the normal range. Has a monitoring module the task of the difference pointer between the current state and to determine the middle reference state and with the extension of the Compare normal range in order to avoid possible injuries to the To signal normal range. After the experience is the extension the area around the middle reference pointers at the various Measuring points of different sizes. Especially if There are large vibrations depending on the parameters Scattering areas. According to the invention, this is taken into account that in addition to the pointer memory, a parameter memory is formed the associated operating parameters for the respective measuring point detected. If the number of individual measurements is sufficiently large, can also add characteristic key figures according to statistical Methods are valued. A so-called regressor provides a function that makes it possible to set the reference value to predetermine. This creates a parameter-dependent reference pointer, which allows, in particular, the operating parameter-dependent To detect fluctuations. Through this behavior the selectivity of the surveillance to detect abnormal Operating conditions increased significantly.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es nunmehr möglich,With the solution according to the invention it is now possible to
- - von einer globalen Beurteilung des mechanischen Zustandes zur typspezifischen, meßortabhängigen Überwachung überzugehen,- from a global assessment of the mechanical condition to to go over type-specific, location-dependent monitoring,
- - aus der Kenntnis der ablaufenden Schädigungsprozesse eine ursachenbezogene Überwachung durchzuführen,- from the knowledge of the damage processes taking place a cause-related Carry out surveillance,
- - die Parameterabhängigkeit von Schwingungszuständen zu berücksichtigen und- to take into account the parameter dependency of vibration states and
- - Veränderungen des mechanischen Zustandes feinfühliger als bisher möglich festzustellen.- Changes in the mechanical condition more sensitive than before possible to determine.
Die erfindungsgemäße Lösung setzt ein Schwingungsüberwachungssystem voraus, das die in der Charakteristik der bekannten technischen Lösungen aufgestellten Forderungen erfüllt. Beispielsweise ist ein Meß- und Überwachungsprinzip nach DD-WP 158 581 zugrunde zu legen. Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird nachstehend eine bevorzugte Verfahrensform für die erfindungsgemäße Lösung dargestellt. Die Zeichnung zeigtThe solution according to the invention uses a vibration monitoring system ahead that the in the characteristics of the known technical Solutions made demands met. For example is based on a measuring and monitoring principle according to DD-WP 158 581 to lay. With reference to the attached drawing is a preferred form of process for the invention Solution shown. The drawing shows
Fig. 1 Prinzipdarstellung der 3fach gestaffelten Form der Grenzwertüberwachung zur Erläuterung von Grenz- und Bezugswerten, Fig. 1 is a basic representation of the staggered form the 3-fold limit monitoring for explaining border and reference values,
Fig. 2 Grafik zu den erfindungsgemäß zu ermittelnden Grenz- und Bezugswerten (GD; O), Fig. 2 Vector to the invention to be determined limit and reference values (GD; O),
Fig. 3 Ablaufschemata zur Ermittlung der Grenz- und Bezugswerte (GD; O). Fig. 3 flow diagrams for determining the limit and reference values ( GD; O) .
Durch die Punkte P (i = (i, n)) wird in Fig. 1 die Bewegungskurve eines selektiven SchwingungszeigersThe points P ( i = ( i, n)) in FIG. 1 show the movement curve of a selective oscillation pointer
charakterisiert. Diese Bewegungskurve beinhaltet die beim praktischen Betrieb möglichen Veränderungen eines entsprechenden Schwingungszeigers. Die Aufgabe, anomale Betriebszustände, die sich im Schwingungsverhalten äußern und schadensbedingte Veränderungen möglichst genau und im Entstehungsstadium zu erfassen, wird durch die Definition von zulässigen Bereichen (Grenzwerten) gelöst.characterized. This movement curve includes those that are possible in practical operation Changes to a corresponding vibration pointer. The Task, abnormal operating conditions, which are reflected in the vibration behavior express and damage-related changes as accurately as possible and to be recorded in the development stage is defined by the definition of permissible ranges (limit values) solved.
- - G 1, G 2 sind Grenzwerte (Vorwarnung, Hauptwarnung) für die Beträge der selektiven Schwingungszeiger. Sie entsprechen in etwa den in den internationalen Schwingungsnormen festgelegten Grenzwerten für Schwingungsintensität bzw. Effektivwert für Lagerschwingungen und Spitzenwert für Wellenschwingungen. Damit ist eine grobe Einschätzung des Zustandes der Maschine möglich (Stand der Technik).- G 1 , G 2 are limit values (advance warning, main warning) for the amounts of the selective oscillation pointers. They roughly correspond to the limit values for vibration intensity or effective value for bearing vibrations and peak values for shaft vibrations specified in the international vibration standards. This enables a rough assessment of the condition of the machine (state of the art).
-
- GD charakterisiert den zulässigen Bereich für Veränderungen eines
selektiven Schwingungsanzeigers um den Bezugszustand P₀, wobei die
Vektoren
auf Grenzwertüberschreitung getestet
werden.
Damit ist die Erfassung von "normalen" parameterabhängigen Veränderungen möglich, die außerdem noch vom jeweiligen Meßort, d. h. von den konstruktiven Besonderheiten beeinflußt werden.- GD characterizes the permissible range for changes of a selective vibration indicator around the reference state P ₀, with the vectors be tested for limit violation.
This makes it possible to record "normal" parameter-dependent changes, which are also influenced by the respective measuring location, ie by the special design features. - - GT begrenzt die zeitliche, insbesondere sprunghafte Veränderung eines selektiven Schwingungsanzeigers auf einen zulässigen Wert, indem die Vektoren P₂ P₁, P₂ P₃ . . . P n P n-1 berechnet und getestet werden.- GT limits the temporal, in particular sudden, change of a selective vibration indicator to a permissible value by the vectors P ₂ P ₁, P ₂ P ₃. . . P n P n-1 can be calculated and tested.
Erfindungsgemäß geht es darum, die zulässigen Grenzen GD unter Berücksichtigung des normalen Schwingungsverhaltens auf dem kleinstmöglichen Niveau festzulegen.According to the invention, the permissible limits GD are set at the lowest possible level, taking into account the normal vibration behavior.
Fig. 2 zeigt die prinzipiellen Möglichkeiten zur Grenz- und Bezugswertbestimmung. Im Fall a) liegen keine parameterabhängigen Beeinflussungen des Schwingungsanzeigers vor. Fall b) zeigt Parameterabhängigkeit. FIG. 2 shows the basic ways to limit and reference value determination. In case a) there are no parameter-dependent influences on the vibration indicator. Case b) shows parameter dependency.
Für a) werden die selektiven Schwingungsgrößen für den 1. bzw. 2. harmonischen Anteil im Zeigerspeicher 1 vorzugsweise in Komponentenform (x-, y-Richtung) abgespeichert. In den Bezugswertspeicher 2 wird das arithmetische Mittel der jeweiligen Diagnosegröße übernommen nach den im Wesen genannten Voraussetzungen an die Verteilung der einzelnen Zustände. Im Überwachungsmodul 3 erfolgt der Vergleich von aktuellem und Bezugszustand und der Test auf Verletzung der Grenze GD. Dabei ist GD wiederum empirisch in einer sogenannten Belehrungsphase z. B. als Maximalwert der Vektoren (i =1, n) festzulegen. Durch das Überwachungsmodul 3 erfolgen dann die Weiterverarbeitung und entsprechende Signalisationen.For a), the selective vibration quantities for the 1st or 2nd harmonic component are stored in pointer memory 1, preferably in component form ( x , y direction). The arithmetic mean of the respective diagnostic variable is transferred to the reference value memory 2 in accordance with the essential requirements for the distribution of the individual states. In the monitoring module 3 , the comparison of the current and reference status and the test for violation of the limit GD takes place . GD is again empirically in a so-called instruction phase z. B. as the maximum value of the vectors ( i = 1, n) . Further processing and corresponding signaling then take place through the monitoring module 3 .
Für b) ist das Verfahren nach a) unzweckmäßig (siehe großer Kreis in Fig. 2). Mit Hilfe der Zustandsschätzung nach Fig. 3b können parameterabhängige Bezugs- und Grenzwerte ermittelt werden. Dabei werden zusätzlich zu den selektiven Schwingungszeigern noch die Betriebsparameter im Parameterspeicher 4 erfaßt. Der Regressator 5 stellt in der Belehrungsphase einen mehrdimensionalen Zufallsvektor bereit, mit dem dann ausgehend vom aktuellen Maschinenzustand ein Bezugswert (O₁, O₂ . . . O n ) geschätzt wird, der das in der Belehrungsphase aufgeprägte Verhalten der Turbomaschine widerspiegelt, wenn die Anzahl der Einzelmessungen genügend groß war.The method according to a) is unsuitable for b) (see large circle in FIG. 2). With the aid of state estimation in Fig. 3b parameter-dependent reference and limit values may be determined. In addition to the selective oscillation pointers, the operating parameters are also recorded in the parameter memory 4 . The regressor 5 provides a multidimensional random vector in the instruction phase, with which a reference value ( O ₁, O ₂... O n ) is then estimated based on the current machine state, which reflects the behavior of the turbomachine impressed in the instruction phase, if the number the individual measurements were sufficiently large.
Die Weiterverarbeitung im Überwachungsmodul 3 erfolgt dann wie bei a).The further processing in the monitoring module 3 then takes place as in a).
- Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen: 1Zeigerspeicher2Bezugswertspeicher3Überwachungsmodul4Parameterspeicher5RegressatorG 1Grenzwerte für AbsolutgrößenG 2Grenzwerte für AbsolutgrößenGDGrenzwerte für DifferenzkenngrößenGTGrenzwerte für TransientenkenngrößenxBetrag eines selektiven SchwingungszeigersϕPhasenwinkel eines selektiven Schwingungszeigersi, r, k, n, m, pZählgrößenOBezugszustand eines selektiven SchwingungszeigersPZustandspunkteFFTFast-Fourier-TransformationList of the reference symbols used: 1 pointer memory 2 reference value memory 3 monitoring module 4 parameter memory 5 regressor G 1 limit values for absolute values G 2 limit values for absolute values GD limit values for differential parameters GT limit values for transient parameters x amount of a selective oscillation pointer ϕ phase angle of a selective oscillation pointer i, r, k, n , m, p Count quantities O Reference state of a selective oscillation pointer P State points FFT Fast Fourier transformation
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