Wie gehen große Turbinen mit Asymmetrie und daraus resultierenden Schlägen um?

Eine große Turbine, die in einer elektrischen Anlage verwendet wird, kann leicht einen Durchmesser von mehr als 10 Metern haben und sich mit mehr als 70 U / min drehen. Sollte eine Asymmetrie auftreten, erzeugt die rotierende Turbine einen Schlag, der früher oder später die Anlage zerstört. Die Herstellung einer so großen und perfekt symmetrischen Turbine scheint eine große Herausforderung zu sein.

Wie wird dieses Problem gelöst? Warum verursacht der Schlag der Turbinenasymmetrie keinen mechanischen Schaden?

Es wird sorgfältig gemacht. Viele andere rotierende Maschinen haben das gleiche Problem, und ganze Systeme existieren nur, um damit umzugehen.

Zum Beispiel sind Triebwerke normalerweise kleiner, drehen sich aber auch viel schneller. Das Auswuchten eines Strahltriebwerks ist etwas, das bei der Herstellung und jedes Mal, wenn es nach ausreichender Demontage wieder zusammengesetzt wird, große Aufmerksamkeit erhält. Ich habe an Messsystemen gearbeitet, mit denen einige µm Unrundheit kreisförmiger Teile mit einem Durchmesser von einem Meter oder mehr gemessen werden können. Große Wartungseinrichtungen verfügen neben den Herstellern über solche Systeme.

Eine Methode zum Auswuchten, die ich gesehen habe, bestand darin, mehrere "Platten" zu stapeln. Diese Platten waren ringförmige Strukturen, die Teil des Spinnsystems sein würden. Keine Platte konnte genau richtig hergestellt werden. Das Messsystem würde die Asymmetrien jeder Platte genau messen und dann berechnen, in welcher Ausrichtung die mehreren Platten zusammen montiert werden müssen, um ein größeres Objekt zu erhalten, das mit hoher Präzision ausgeglichen wurde.

Es gibt auch andere Techniken, wie das Bauen so gut wie möglich und das anschließende Ausbalancieren. Tatsächlich werden in der Praxis mehrere Techniken eingesetzt, wobei die Endmontage immer eine davon ist. Dies funktioniert ähnlich wie das dynamische Auswuchten von Reifen. Die Turbine wird langsam gedreht und die Schwingungen synchron zu den Drehungen gemessen. Daraus berechnet ein Computersystem, wie viel Gewicht wo hinzugefügt oder entfernt werden muss.

Das häufigste Schema, das ich gesehen habe, ist das Bohren von Löchern oder Vertiefungen in einem bestimmten Metallbereich, der für diesen Zweck zur Verfügung steht. Der Computer teilt Ihnen anhand der Analyse der Schwingungen mit, wo und welcher Durchmesser gebohrt werden muss. In einem anderen Fall haben wir ein elektronisches Produkt, das sich im Rahmen seines normalen Betriebs dreht. In diesem Fall haben wir einige Durchgangslötpads in verschiedenen Winkeln von der Welle gelassen. Der Schwingungsanalysator schlug dann vor, welche Pads mit Lötmittel gefüllt werden sollten, was in diesem Fall von einem Techniker manuell durchgeführt wurde.

Dieser Gesamtvorgang zum Messen und Einstellen wird wiederholt, bis die Vibrationen unter einem bestimmten Wert liegen. Trotz der besten Messungen und Algorithmen scheint eine Einstellung die Schwingungen nicht so stark auszugleichen, wie es theoretisch der Fall sein sollte.

Einstellbare Gegengewichte.

Die Räder und Reifen Ihres Autos sind nicht perfekt kreisförmig hergestellt, aber nachdem der Reifen aufgesetzt wurde (oder Sie eine Neuausrichtung anstreben), wird der Mechaniker Gewichte anheften, um den Schwerpunkt näher an die Achse zu bringen. Die Turbine kann während der normalen Wartung auf ähnliche Weise ausgewuchtet werden.

Denken Sie auch daran, dass 70 U / min ungefähr 1,2 Hz betragen. Die Struktur der Anlage wird so konstruiert, dass sie eine Eigenfrequenz aufweist, die nicht der typischen Turbinendrehzahl entspricht.

Zusätzliche Gegengewichte sind möglicherweise nicht erforderlich. Die einzelnen Schaufeln am Rotor haben aufgrund von Fertigungstoleranzen leicht unterschiedliche Massen. Bei Flugzeugtriebwerken wird jedes Blatt genau gewogen und die verschiedenen Massen sind um die Welle herum angeordnet, um das Auswuchten zu verbessern.

Außerdem kann der Rotor so ausgelegt sein, dass er im normalen Betrieb schneller als seine kritische Wirbelgeschwindigkeit läuft. In dieser Situation neigt es dazu, sich selbst zu zentrieren, und die Lager können auf einem Ölfilm "schweben", so dass sich der Rotor um seinen Schwerpunkt dreht, nicht um seinen geometrischen Mittelpunkt. Die großen Unwuchtkräfte treten beim Starten und Herunterfahren nur kurz auf, wenn der Rotor durch die Wirbelgeschwindigkeit beschleunigt / bremst.

Ein verwandtes Problem ist, dass beim Abschalten der Maschine die Restwärme auf natürliche Weise ansteigt und der Temperaturunterschied zwischen oben und unten den Rotor aus dem Gleichgewicht bringen kann. Um dies zu vermeiden, kann der Rotor kontinuierlich mit einer langsamen Geschwindigkeit (z. B. 1 U / min) angetrieben werden, wenn die Maschine nominell "angehalten" wird, bis der Rotor abgekühlt ist, was für eine große Turbine mehrere Stunden dauern kann.