Turbulenzen in der Schwingungsanalyse verstehen
In der Schwingungsanalyse, Turbulenz bezieht sich auf die chaotische, zufällige und instabile Strömung eines Fluids – einer Flüssigkeit oder eines Gases – durch eine Maschine wie eine Pumpe, einen Ventilator oder eine Turbine. Diese unregelmäßige Strömung erzeugt Druckschwankungen, die als Antriebsfunktion wirken und eine niederfrequente, zufällige Vibration in der Struktur der Maschine. Im Gegensatz zu den diskreten, periodischen Kräften, die durch Unwucht oder Fehlausrichtung, die Vibrationen durch Turbulenzen treten nicht mit einer einzigen, scharfen Frequenz auf. Stattdessen erscheint es als ein „Buckel“ breitbandiger, nicht synchroner Energie in der FFT-Spektrum — und das Erkennen dieser Signatur ist der Schlüssel zu einer korrekten Diagnose.
1. Definition: Was ist Turbulenz?
Turbulenz ist im Grunde genommen eher ein Strömungsphänomen als ein mechanischer Defekt. Wenn sich eine Flüssigkeit gleichmäßig auf ihrem vorgesehenen Weg bewegt, ist der Druck, den sie auf Schaufeln, Leitschaufeln und Gehäuse ausübt, konstant; wenn sich diese Strömung jedoch in Wirbel und Strömungswirbel auflöst, wird der Druck zu einer schnell variierenden, statistisch zufälligen Belastung. Die Maschinenstruktur reagiert auf diese zufällige Einwirkung genau so, wie sie auf jede andere Anregung reagiert – nämlich durch Schwingen –, doch da die Kraft selbst keine feste Periode hat, hat auch die resultierende Schwingung keine feste Frequenz. Damit gehört Turbulenz zur breiteren Familie der strömungsinduzierten Schwingungen, neben hydraulische Kräfte in Pumpen und aerodynamische Kräfte bei Ventilatoren und Gebläsen und steht in engem Zusammenhang mit dem Konzept von Strömungsturbulenzen als Schwingungsquelle.
2. Merkmale von Turbulenzschwingungen
- Frequenz: ein Phänomen im niedrigen Frequenzbereich, typischerweise unter 10–20 Hz und deutlich unterhalb der Betriebsdrehzahl der Maschine.
- Breitbandcharakter: Es erzeugt keine scharfe, deutliche Spitze. Stattdessen wird der Rauschpegel im niederfrequenten Bereich des Spektrums angehoben, was oft als „zufälliger Buckel“ oder „Heuhaufen“ beschrieben wird.
- Zufällig und nicht periodisch: Die Schwingung ist nicht gleichmäßig – Amplitude und Phase schwanken ständig und zufällig. In der Zeitwellenform Es erscheint als chaotisches, sich nicht wiederholendes Signal ohne klar erkennbares Wiederholungsmuster.
- Richtung: Die Schwingung ist in der Regel radial und kann sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung auftreten.
Da die Energie über ein Band verteilt ist und sich nicht auf eine Linie konzentriert, kann das Gesamtschwingungsniveau spürbar ansteigen, auch wenn keine einzelne Spektralspitze alarmierend erscheint – ein Muster, das man bei der Auswertung von Trenddaten der Gesamtwerte im Auge behalten sollte.
3. Häufige Ursachen für Turbulenzen
Turbulenzen sind ein hydraulisches oder aerodynamisches Problem, das durch Störungen des gleichmäßigen, geplanten Flüssigkeitsflusses verursacht wird. Häufige Ursachen sind:
- Betrieb außerhalb des Punktes des höchsten Wirkungsgrads (BEP): Pumpen und Ventilatoren sind so ausgelegt, dass sie an einem bestimmten Punkt ihrer Leistungskurve am effizientesten und gleichmäßigsten laufen. Ein Betrieb deutlich oberhalb oder unterhalb der BEP-Durchflussmenge führt dazu, dass sich die Flüssigkeit ineffizient bewegt und Turbulenzen entstehen – und bei sehr geringem Durchfluss kann dies dazu führen, dass Umwälzung, ein interner Rückfluss, der selbst eine anerkannte Quelle für niederfrequente Energie ist.
- Hindernisse im Strömungsweg: Alles, was den Durchfluss behindert oder stört, kann Turbulenzen verursachen, darunter schlecht konstruierte Rohrleitungen (wie beispielsweise eine scharfe Biegung unmittelbar vor dem Sauganschluss einer Pumpe), teilweise geschlossene Ventile, verstopfte Siebe oder Fremdkörper.
- Luftbeimischung oder Kavitation: Luftblasen in einer Flüssigkeit (Mitreißen) oder die Bildung und das Kollabieren von Dampfblasen (Kavitation), erzeugen stark turbulente und impulsartige Bedingungen, die erhebliche zufällige Schwingungen verursachen.
- Mangelhafte Konstruktion des Sumpfes oder des Einlasses: Bei Pumpen kann ein schlecht konstruierter Sumpf Wirbel erzeugen, die Luft und Turbulenzen direkt in den Ansaugbereich ziehen.
4. Diagnose und Differenzierung
Der Schlüssel zur Erkennung von Turbulenzen liegt in ihrem zufälligen, breitbandigen und niederfrequenten Charakter. Ein erfahrener Analyst kann sie oft anhand des “unruhigen” und Prügel-ähnliches Vibrationsgefühl an der Maschine selbst. Es ist jedoch wichtig, Turbulenzen von anderen Problemen im Niederfrequenzbereich zu unterscheiden, die auf den ersten Blick ähnlich erscheinen können:
- Mechanische Lose: Ein Spiel führt ebenfalls zu Breitbandrauschen, das sich jedoch in der Regel durch einen erhöhten Grundrauschpegel über den gesamten gesamte Spektrum zusammen mit charakteristischen Oberwellen der Laufgeschwindigkeit – Oberwellen, die bei reiner Turbulenz nicht auftreten.
- Ölwirbel: Das ist ein deutlicher subsynchron ein Spitzenwert von etwa 0,4–0,48×, kein breiter Buckel zufälliger Energie.
- Reiben: Ein Reiben kann ein breites Frequenzspektrum erzeugen, enthält jedoch in der Regel viele hochfrequente Oberwellen und Subharmonische, und sein Zeitbereichssignal kann abgeschnittene oder abgeflachte Spitzen aufweisen.
Ein frequenzbasiertes Fehlerdiagramm wie das Schwingungsquellen-Identifikation kann dabei helfen, festzustellen, um welche dieser Signaturen es sich handelt, und bei Verdacht auf Kavitation Pumpenkavitationsfrequenzschätzer schränkt die Auswahl weiter ein.
5. Turbulenzen beheben
Da es sich bei Turbulenzen eher um ein prozessbedingtes Problem als um einen mechanischen Defekt handelt, besteht die Lösung in der Regel darin, das Problem im Betrieb oder in der Anlagenauslegung zu beheben – und nicht darin, am Rotor zu arbeiten. Zu den typischen Abhilfemaßnahmen gehören die Rückstellung des Betriebspunkts der Pumpe oder des Ventilators in Richtung ihres BEP, das Öffnen gedrosselter Ventile, die Reinigung von Sieben oder die Änderung der Rohrleitung, um eine Strömungsstörung in der Nähe des Einlasses zu beseitigen. Die diagnostische Aufgabe des Schwingungsmessgeräts besteht hier darin, zu bestätigen, dass die Breitbandenergie tatsächlich vom Strömungsvorgang stammt und nicht von einem Defekt an einem rotierenden Bauteil. Ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A macht diese Unterscheidung in der Praxis einfach: Durch die Erfassung des Spektrums und der Zeitwellenform an jedem Lager können Sie sicherstellen, dass kein dominanter synchroner Peak und kein Restunwucht die Ursache der Schwingung aufdecken – den Fokus der Untersuchung auf den Prozess statt auf die Maschine richten und den häufigen Fehler vermeiden, ein Problem durch Auswuchten beheben zu wollen, das sich dadurch nicht beheben lässt.
