Interferenzdiagramme verstehen

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Definition: Was ist ein Interferenzdiagramm?

Ein Interferenzdiagramm ist ein grafisches Werkzeug, das verwendet wird in Rotordynamik um Drehzahlbereiche zu identifizieren, in denen Anregungsfrequenzen mit den Systemfrequenzen “interferieren” (übereinstimmen). Eigenfrequenzen, wodurch die Voraussetzungen dafür geschaffen werden Resonanz. Der Begriff “Interferenz” bezeichnet die problematische Wechselwirkung zwischen einer Anregungsfrequenz (von Unwucht, (z. B. durch Passieren der Schaufeln oder andere Quellen) und eine Eigenfrequenz, die übermäßige Vibration.

Obwohl eng verwandt mit dem Campbell-Diagramm, Ein Interferenzdiagramm konzentriert sich oft speziell auf die Hervorhebung der Schnittpunkte (Interferenzen) und der zugehörigen Geschwindigkeitszonen, die während des Betriebs vermieden oder schnell durchfahren werden sollten.

Beziehung zu Campbell-Diagrammen

In der Praxis werden die Begriffe “Interferenzdiagramm” und “Campbell-Diagramm” oft synonym verwendet, da sie ähnliche Informationen darstellen. Es bestehen jedoch feine Unterschiede:

Campbell-Diagramm Hervorhebung

• Zeigt das vollständige Bild davon, wie sich Eigenfrequenzen mit der Geschwindigkeit verändern.
• Zeigt Eigenfrequenzkurven als stetige Funktionen der Drehzahl an
• Wird hauptsächlich für umfassende Rotordynamikanalysen und -konstruktionen verwendet.

Hervorhebung des Interferenzdiagramms

• Lenkt die Aufmerksamkeit auf die spezifischen Problembereiche – die Schnittpunkte
• Oftmals sind schattierte “verbotene Zonen” um kritische Geschwindigkeiten herum eingezeichnet.
• Stärkerer Fokus auf den operativen Einsatz, mit Schwerpunkt auf zu vermeidenden Geschwindigkeitsbereichen.
• Kann neben der Unsymmetrie auch mehrere andere Anregungsquellen umfassen.

Konstruktion eines Interferenzdiagramms

Ein Interferenzdiagramm wird ähnlich wie ein Campbell-Diagramm erstellt, jedoch mit zusätzlichem operationellem Kontext:

Grundelemente

• Horizontale Achse: Drehzahl (U/min oder Hz)
• Vertikale Achse: Anregungs- oder Eigenfrequenz (Hz oder CPM)
• Eigenfrequenzlinien: Darstellung, wie sich die Eigenfrequenzen des Systems mit der Geschwindigkeit ändern
• Erregungsordnungslinien: Diagonale Linien für 1X-, 2X-, 3X- und andere Anregungsquellen

Zusätzliche Merkmale

• Hervorgehobene Schnittpunkte: Kritische Geschwindigkeiten sind deutlich mit Symbolen oder Anmerkungen gekennzeichnet.
• Geschwindigkeitsverbotszonen: Schattierte Bereiche um jede kritische Geschwindigkeit zeigen die zu vermeidenden Geschwindigkeitsbereiche an.
• Betriebsdrehzahlbereich: Deutlich gekennzeichnet, oft als vertikaler Streifen oder hervorgehobener Bereich
• Schnelldurchfahrtszonen: Geschwindigkeitsbereiche, die beim Starten/Herunterfahren schnell durchlaufen werden sollen
• Mehrere Anregungsquellen: Linien für Schaufelpassagehäufigkeit, Zahnradeingriffshäufigkeit, Lagerfehlerhäufigkeiten

Arten von Störungen

Ein Interferenzdiagramm kann verschiedene Arten problematischer Wechselwirkungen identifizieren:

1. Synchrone Interferenz (1X)

Der häufigste Typ, bei dem einmal pro Umdrehung auftretende Unwuchtkräfte mit einer Eigenfrequenz übereinstimmen. Dies ist der klassische Typ. kritische Geschwindigkeit Zustand.

2. Harmonische Interferenz (2x, 3x usw.)

Höhere Harmonische der Laufgeschwindigkeit können ebenfalls Resonanzen anregen. Häufige Ursachen sind:

• 2X: Von Fehlausrichtung, mechanische Lockerheit oder asymmetrische Steifigkeit
• 3x, 4x: Von Zahnradkontakten, Mehrlager-Lagern oder strukturellen Asymmetrien

3. Leitschaufel-/Schaufelüberschneidung

Bei Turbomaschinen kann die Schaufelpassierfrequenz (Schaufelanzahl × Drehzahl) Strukturmoden anregen. Das Interferenzdiagramm zeigt die Schnittpunkte der Schaufelpassierfrequenzlinien mit den Eigenfrequenzen.

4. Subsynchrone Interferenz

Phänomene wie Ölwirbel (typischerweise bei 0,43X-0,48X) können subsynchrone Störungen erzeugen, die erkannt und bewältigt werden müssen.

5. Schwebungsfrequenzinterferenz

In gekoppelten Systemen oder Systemen mit mehreren rotierenden Elementen können durch geringfügige Drehzahlunterschiede entstehende Schwebungsfrequenzen zu Interferenzen führen.

Praktische Anwendung im Maschinenbau

Anwendungen in der Entwurfsphase

1. Vermeidung kritischer Geschwindigkeiten: Stellen Sie sicher, dass sich der Betriebsdrehzahlbereich nicht mit Störzonen überschneidet.
2. Überprüfung des Trennabstands: Sicherstellen, dass ausreichende Sicherheitsabstände (typischerweise ±15% bis ±30%) um alle kritischen Drehzahlen vorhanden sind.
3. Erregerquellenmanagement: Lässt sich eine Störung nicht vermeiden, verringern Sie die Amplitude der Anregungsquelle (verbessern Sie die Balance, verringern Sie Fehlausrichtungen usw.).
4. Dämpfungsanforderungen: Identifizieren Sie, wo Verbesserungen vorgenommen wurden Dämpfung ist erforderlich, um Resonanzschwingungen zu kontrollieren

Modifikation und Fehlerbehebung

Wenn bei bestehenden Maschinen Vibrationsprobleme auftreten, helfen Interferenzdiagramme:

• Prüfen Sie, ob das Problem auf einen Betrieb zu nahe an einer kritischen Drehzahl zurückzuführen ist.
• Vorgeschlagene Modifikationen bewerten (Lageränderungen, zusätzliche Masse, Steifigkeitsänderungen)
• Auswirkungen von Geschwindigkeitsänderungen oder des Betriebs mit variabler Drehzahl vorhersagen
• Prüfen Sie, ob das Problem durch eine unerwartete Anregungsquelle verursacht wird.

Einrichtung von Geschwindigkeitsverbotszonen

Ein wesentliches Merkmal von Interferenzdiagrammen ist die Definition von verbotenen oder beschränkten Geschwindigkeitszonen:

Bestimmung der Zonenbreite

Die Breite jeder Sperrzone hängt von mehreren Faktoren ab:

• Systemdämpfung: Geringe Dämpfung erfordert breitere Zonen; hohe Dämpfung ermöglicht schmalere Zonen
• Erregungsamplitude: Starke Anregungsquellen erfordern größere Schutzzonen
• Betriebliche Konsequenzen: Kritische Anlagen erfordern möglicherweise konservativere (größere) Sicherheitszonen.
• Typische Werte: ±15% für gut gedämpfte Systeme, ±20-30% für schlecht gedämpfte Systeme

Betriebsverfahren

Auf Grundlage des Interferenzdiagramms werden Betriebsabläufe festgelegt:

• Dauerbetrieb zulässig: Geschwindigkeitsbereiche ohne Störungen
• Schnelles Vorankommen erforderlich: Verbotene Zonen, die beim Starten/Herunterfahren schnell durchquert werden müssen
• Absolut verboten: Starke Resonanzzonen, in denen der Betrieb niemals zulässig ist

Beispiel: Turbineninterferenzdiagramm

Betrachten Sie eine Dampfturbine mit folgenden Eigenschaften:

• Betriebsgeschwindigkeit: 3000 U/min (50 Hz)
• Erste kritische Geschwindigkeit: 2400 U/min (40 Hz)
• Zweite kritische Geschwindigkeit: 4200 U/min (70 Hz)
• Anzahl der Klingen: 60
• Schaufelpassagehäufigkeit bei 3000 U/min: 60 × 50 Hz = 3000 Hz

Das Interferenzdiagramm zeigt:

• 1X Linie kreuzt die erste Eigenfrequenz: Kritische Drehzahl bei 2400 U/min – Verbotener Bereich: 2040–2760 U/min (±15%)
• 1X-Linie kreuzt die zweite Eigenfrequenz: Kritische Drehzahl bei 4200 U/min – Unbedenklich, da die Betriebsdrehzahl deutlich darunter liegt
• Betriebsdrehzahl (3000 U/min): Sicher zwischen zwei kritischen Geschwindigkeiten mit guten Sicherheitsabständen
• Schaufelpassagehäufigkeit: Bei 3000 Hz keine Beeinträchtigung der Strukturmoden im Betriebsbereich

Operative Hinweise:

• Beim Startvorgang innerhalb von weniger als 30 Sekunden im Drehzahlbereich von 2040-2760 U/min beschleunigen.
• Ein Dauerbetrieb zwischen 2800 und 3200 U/min ist zulässig.
• Versuchen Sie nicht, das Gerät dauerhaft mit einer Drehzahl zwischen 2040 und 2760 U/min zu betreiben.

Weiterführende Überlegungen

Temperatureffekte

Manche Interferenzdiagramme enthalten mehrere Kurven, die zeigen, wie sich die Eigenfrequenzen mit Temperaturänderungen verschieben (die Wärmeausdehnung beeinflusst die Steifigkeit und die Lagereigenschaften). Die kritischen Drehzahlen können sich mit zunehmender Erwärmung der Maschine verändern.

Lasteffekte

Bei Maschinen, bei denen die Prozesslast die Lagersteifigkeit oder die Rotordurchbiegung maßgeblich beeinflusst, können Interferenzdiagramme Kurvenscharen für verschiedene Lastzustände aufzeigen.

Gekoppelte Systeme

Bei der Kopplung mehrerer Rotoren (Motor-Pumpen-Sätze, Turbine-Generator-Sätze) müssen im Interferenzdiagramm gekoppelte Torsions- und Lateralmoden berücksichtigt werden, die zusätzliche kritische Drehzahlen erzeugen können.

Erstellung eines Interferenzdiagramms

Aus analytischen Modellen

1. Entwicklung eines Finite-Elemente-Modells des Rotor-Lager-Systems
2. Eigenfrequenzen bei verschiedenen Drehzahlen berechnen
3. Zeichnen Sie die Kurven der Eigenfrequenzen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.
4. Überlagerung der Erregungsordnungslinien (1X, 2X, Schaufelpassage usw.).
5. Kreuzungspunkte markieren und Sperrzonen einrichten
6. Betriebsdrehzahlbereich und Vorgehensweisen mit Anmerkungen versehen

Aus experimentellen Daten

1. Führen Sie Anfahr- und Auslauftests mit Vibrationsüberwachung durch.
2. Erzeugen Wasserfall-Plots oder Bode-Diagramme
3. Identifizieren Sie kritische Geschwindigkeitsbereiche anhand von Amplitudenspitzen und Phasenverschiebungen.
4. Erstellen Sie ein Interferenzdiagramm, in dem die beobachteten kritischen Geschwindigkeiten markiert sind.
5. Empirische Sperrzonen auf Basis gemessener Vibrationspegel festlegen

Vorteile für Betrieb und Instandhaltung

Interferenzdiagramme liefern wertvolle Hinweise für Maschinenbediener und Wartungspersonal:

• Klare Betriebsgrenzen: Visuelle Anzeige sicherer und unsicherer Geschwindigkeitsbereiche
• Verfahren zum Starten/Herunterfahren: Erkennt Geschwindigkeiten für schnelles Durchqueren.
• Betrieb mit variabler Geschwindigkeit: Definiert zulässige Drehzahlbereiche für drehzahlverstellbare Antriebe
• Fehlerbehebungstool: Hilft bei der Diagnose, ob Vibrationsprobleme geschwindigkeitsabhängig sind.
• Änderungsplanung: Zeigt die Auswirkungen der vorgeschlagenen Änderungen vor deren Umsetzung.
• Trainingshilfe: Lehrmittel zum Verständnis des dynamischen Verhaltens von Maschinen

Bei kritischen rotierenden Maschinen ist das Interferenzdiagramm ein unerlässliches Dokument, das den Bedienern, Wartungstechnikern und Ingenieuren zur Verfügung stehen sollte, um sicherzustellen, dass jeder die dynamischen Eigenschaften der Maschine versteht und sie innerhalb sicherer Drehzahlbereiche betreibt.

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