Model-based Monitoring of Rotor Systems
Mechanics
Final Report Abstract
Viele Rotoren besitzen ein Monitoring-System, um Schäden frühzeitig zu erkennen und damit die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Rotors zu erhöhen. Ein wichtiger Entwicklungstrend sind modellbasierte Monitoring-Methoden. Diese bieten durch Abgleich von Messung und Simulation eine detaillierte Schadensdiagnose mit Position und Ausmaß des Schadens. Jedoch betrachten viele bisherige Publikationen das modellbasierte Monitoring lediglich für einzelne Fehler oder einfache Fehlerkombinationen. Bei realen Systemen muss jedoch allgemein von einer Überlagerung mehrerer Fehler ausgegangen werden. Deswegen wird in diesem Forschungsprojekt untersucht, wie das modellbasierte Monitoring gestaltet werden muss, damit auch bei mehreren gleichzeitig auftretenden Fehlern die einzelnen Anteile getrennt und identifiziert werden können. Gerade bei mehreren Fehlern ist wichtig, dass zunächst eindeutige Definitionen für alle Fehler erstellt werden. Dies wurde für die Fehler Unwucht, Schlag, Rundheitsfehler, Achsversatz und Kupplungsversatz durchgeführt. Aus den Definitionen können die Simulationsmodelle abgeleitet werden. Mit Nutzung des Ritz-Ansatzes für die Biegelinie ergibt sich eine effiziente Simulation der Schäden. Anschließend wird das Monitoring anhand analytischer oder numerischer Modelle des beschädigten Rotors entworfen. Hier können gut verschiedene Sensoranordnungen, Betriebsdrehzahlen und Kenngrößen dahingehend untersucht werden, ob damit die vorgegebenen Schäden eindeutig gefunden werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Biegelinie des Rotors bei ausschließlich unterkritischem Betrieb relativ wenig Information beinhaltet, sodass Fehler nur begrenzt identifiziert werden können. Bei zusätzlicher Messung der Lagerkräfte liegen hingegen die nötigen Informationen vor, um Schlag und Kupplungsversatz zu trennen, zwischen parallelen und winkligen Achsversatz zu unterscheiden oder um eine zusätzliche statische Unwucht in Betrag und Axialposition zu identifizieren. Um dies auch experimentell nachzuweisen, wird der bestehende Prüfstand mit Kraftsensoren in den Lagerabstützungen nachgerüstet. Wegen den hohen Anforderungen an die Steifigkeit werden Piezo- Sensoren verwendet. Nach Umrüstung wurde erneut ein Modellabgleich durchgeführt. Mehrere experimentelle Beispiele bestätigen, dass auch bei Überlagerung mehrerer Fehler die einzelnen Fehler bestimmt werden können. Mit drei passend platzierten Abstandssensoren können die Signale der Wegsensoren in die Anteile Rundheitsfehler und tatsächlicher Orbit unterteilt werden. Zusammen mit der Schlagidentifikation bei Betriebsdrehzahl ist damit keine Messung des Orbits bei langsamer Drehzahl nötig, um den „Runout“ zu bestimmen. Zwei Beispiele demonstrieren die Diagnose der Fehlerkombination Unwucht, Schlag und Kupplungsversatz. Alle drei Fehler regen die 1. EO an, jedoch skalieren Auslenkungen und Lagerkräfte bei den drei Fehlern unterschiedlich mit der Drehzahl. Durch eine geeignete Vorgehensweise bei der Identifikation können die Anteile getrennt werden. Winkliger und paralleler Achsversatz lassen sich theoretisch anhand des Lagerkraftverhältnisses unterscheiden. In der Praxis muss vor Bildung des Verhältnisses erst die Ebene gefunden werden, in der sich der Versatz ausprägt. Erst innerhalb dieser Ebene erlaubt das Lagerkraftverhältnis eine reproduzierbare Unterscheidung der Art des Achsversatzes, danach kann dessen Betrag bestimmt werden. Die Beispiele zeigen, dass modellbasierte Systeme auch bei mehreren gleichzeitig auftretenden Fehlern funktionieren. Die Diagnosequalität gibt das reale Ausmaß der Schäden sinnvoll wieder. Das modellbasierte Monitoring erlaubt also auch bei komplexeren Schadensfällen eine deutlich bessere Diagnose als die klassischen signalbasierten Methoden.
Publications
- Inclusion of Unsteady Bow in a Model-Based Monitoring System for Rotors. In: 9th IFToMM Conference on Rotor Dynamics, Mailand, Italien, 22.-26.9.2014
Rossner, M.; Thümmel, T.; Ulbrich, H.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-06590-8_132) - Online roundness error identification and modelbased monitoring for rotors. In: Proceedings of the 10th International Conference on Vibration Engineering and Technology of Machinery (VETOMAC), Manchester, UK, 9.- 11.9.2014
Rossner, M.; Thümmel, T.; Ulbrich, H.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-09918-7_66) - Unterscheidung verschiedener Fehlerarten beim modellbasierten Monitoring. In: 11. Internationale Tagung Schwingungen in rotierenden Maschinen, Magdeburg, Deutschland, 23.-25.2.2015
Thümmel, T.; Rossner, M.; Ulbrich, H.; Rixen, D.
