Kostenloses Ingenieurwerkzeug #023
Schwingungsgrenzwerte — Wasserturbinen und Pumpeneinheiten
Bewertung der Schwingungsintensität von Wasserturbinen, Pumpturbinen und Pumpen gemäß ISO 20816-5. Unterstützt Messungen der Lagergehäusegeschwindigkeit und der Wellenverschiebung.
Ergebnisse
| Zone | Grenze | Beschreibung |
|---|
ISO 20816-5 Anwendungsbereich
ISO 20816-5 legt Kriterien für die Schwingungsbewertung von hydraulischen Maschinen fest, darunter Kaplan-, Francis- und Pelton-Turbinen, Pumpturbinen und Pumpen, die in Wasserkraftwerken eingesetzt werden. Sie deckt sowohl vertikale als auch horizontale Maschinenkonfigurationen ab.
Schwingungen des Lagergehäuses – Vertikalmaschinen
Breitband-Schwinggeschwindigkeit, gemessen am Lagergehäuse in mm/s RMS, typischerweise im Bereich 10–1000 Hz. Gilt für vertikale Kaplan-, Francis-, Pump-Turbine- und Pumpeneinheiten. Die Zonengrenzwerte auf dieser Seite sind vereinfachte Richtwerte aus der ISO 10816/20816-Reihe; die maschinengruppen- und drehzahlspezifischen Tabellen der ISO 20816-5 weichen im Detail davon ab und sollten für vertragliche oder Abnahmeeinschätzungen herangezogen werden.
| Zonengrenze | Geschwindigkeit (mm/s RMS) |
|---|---|
| A/B | 2.8 |
| B/C | 5.3 |
| C/D | 8.5 |
Schwingungen des Lagergehäuses – Horizontales Pelton
Horizontale Pelton-Turbinen weisen aufgrund der Lageranordnung und der Impulsbelastungseigenschaften niedrigere zulässige Grenzwerte auf.
| Zonengrenze | Geschwindigkeit (mm/s RMS) |
|---|---|
| A/B | 2.3 |
| B/C | 4.5 |
| C/D | 7.1 |
Wellenverschiebung – Vertikalmaschinen
Die relative Wellenverschiebung wird mit Näherungssensoren gemessen und als Spitze-zu-Spitze-Verschiebung in μm angegeben.
| Zonengrenze | Verlagerung (μm p-p) |
|---|---|
| A/B | 80 |
| B/C | 160 |
| C/D | 260 |
ℹ️ Hinweis: Vertikale Wasserkraftmaschinen weisen aufgrund der entlang der Wellenachse wirkenden Schwerkraft einzigartige Schwingungseigenschaften auf. Der Zustand des Axiallagers und die hydraulischen Kräfte (Saugrohrschwappen, Kavitation) beeinflussen das Schwingungsverhalten maßgeblich.
⚠️ Wichtig: Sowohl die Schwingungen des Lagergehäuses als auch der Welle sollten überwacht werden. Der schlechtere der beiden Messwerte ist für die Gesamtbewertung maßgeblich. Die Betriebsbedingungen (Last, Fallhöhe, Unterwasserstand) beeinflussen die Schwingungspegel in Wasserkraftmaschinen stark.
ISO 20816-5 gilt für hydraulische Maschinen (Wasserkraftmaschinen), darunter:
- Vertikale Kaplan-Turbinen
- Vertikale Francis-Turbinen
- Vertikale Pumpturbinen (reversibel)
- Horizontale Pelton-Turbinen
- Vertikale Pumpen
Diese Maschinen werden in Wasserkraftwerken mit typischen Drehzahlen von 60 bis 1000 RPM betrieben.
Wasserkraftmaschinen arbeiten bei wesentlich niedrigeren Drehzahlen (60–500 RPM gegenüber 1500–3600 RPM bei Dampfturbinen) und unterliegen spezifischen hydraulischen Erregerkräften:
- Saugrohrschwingungen (Teillastwirbelzopf) und Druckpulsationen
- Kavitationsinduzierte Schwingungen
- Leitschaufel- und Laufradschaufel-Passierfrequenzen
- Kármánsche Wirbelablösungen
Bei vertikalen Maschinen sind zudem die Schwingungen des Traglagers (Spurlagers) sowie axiale hydraulische Kräfte besonders zu berücksichtigen.
Die relative Wellenauslenkung wird mit Wirbelstrom-Wegsensoren (Proximity-Sonden) in der Nähe der Führungslager als Spitze-Spitze-Schwingweg in Mikrometern (μm p-p) gemessen. Dies ist bei vertikalen Maschinen besonders wichtig, da die Überwachung der Wellenbahn (Orbit) Aufschluss gibt über:
- Unwucht und Ausrichtfehler
- Hydraulische Instabilitäten
- Verschleiß der Führungslager
- Anstreifen an Dichtungen
Horizontale Pelton-Turbinen haben niedrigere Schwingungsgrenzwerte als vertikale Maschinen, weil:
- Horizontale Lageranordnungen empfindlicher auf dynamische Kräfte reagieren
- Die Impulsbelastung durch das Auftreffen des Wasserstrahls auf die Pelton-Becher charakteristische Schwingungen erzeugt
- Schwerkraftlasten auf horizontale Lager ein anderes dynamisches Verhalten bewirken
Die Grenze zwischen Zone A/B liegt bei 2.3 mm/s gegenüber 2.8 mm/s für vertikale Maschinen.
Bei Erreichen von Zone C an einer Wasserturbine:
- Ursachen untersuchen: Laufradkavitation, Saugrohrpulsationen, Führungslagerverschleiß, Wellenausrichtfehler, hydraulische Resonanz
- Überwachung auf kontinuierliche Messung umstellen, falls noch nicht geschehen
- Lasteinschränkungen prüfen, um die hydraulische Anregung zu reduzieren
- Korrekturmaßnahmen für den nächsten geplanten Revisionsstillstand einplanen
- Trendverlauf sorgfältig beobachten — bei Annäherung an Zone D Abschaltung in Betracht ziehen
Die auf dieser Seite beschriebenen Verfahren wurden vom Vibromera-Team entwickelt und im Praxiseinsatz getestet, unter Verwendung des Balanset-1A, eines tragbaren Zweikanal-Auswuchtgeräts und Schwingungsanalysators für die Vor-Ort-Rotorauswuchtung.
Professionelle Schwingungsanalysatoren und Feldauswuchtsysteme für Wasserkraftanlagen. Vor-Ort-Prüfung gemäß ISO 20816. Einsatz in über 50 Ländern.
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko ist Schwingungsanalyse-Ingenieur sowie Gründer und Geschäftsführer von Vibromera. Seit mehr als 15 Jahren wuchtet er rotierende Maschinen direkt vor Ort aus statt auf dem Prüfstand: Mulchgeräte, Industrieventilatoren, Brecher, Zentrifugen, Wellen und Spindeln. Aus dieser Arbeit sind die Balanset-Geräte entstanden — sie wurden als Werkzeug konzipiert, das ein Fachmann zur Maschine mitnehmen und dort allein einsetzen kann, nicht als Laborausrüstung. Vibromera wurde 2017 gegründet und hat seinen Sitz seit 2023 in Porto, Portugal. Entwicklung, Montage und Support der Balanset-Reihe finden hier statt. Das Flaggschiffgerät ist das Balanset-1A, ein tragbares Analysegerät für ein- und zweiebeniges Auswuchten sowie für Schwingungsdiagnose. Nikolai ist persönlich in den Kundensupport eingebunden, arbeitet schwierige Auswuchtfälle durch und ist an der Softwareentwicklung beteiligt. Er arbeitet mit Kunden weltweit, in jeder Sprache.
