Schwingungen und Strömungen an Turboladern

Ein gutes Beispiel für den Einsatz des neuen Data Recorder SIR-1000 sind die Turbolader der ABB Turbo Systems AG, dessen Systeme bei der Aufladung von großen Dieselmotoren verschiedener Produzenten zum Einsatz kommen und weltweit eine richtungsweisende Stellung einnehmen. Diese Position kommt nicht von ungefähr. Versteht es doch ABB konsequent, die hohen Anforderungen hinsichtlich Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Lebensdauer seiner Produkte und Neuentwicklungen sicher zu stellen.

Zur Unterstützung der Turbomaschinen-Entwicklung und Qualitätssicherung betreibt das Unternehmen innerhalb des Konzerns das Labor Thermische Maschinen mit Sitz in Baden (Schweiz). Die Arbeitsschwerpunkte dieses Labors liegen auf den Gebieten der Strömungsmechanik, Verbrennungstechnik, Schwingungsmechanik und Akustik. Den Auftraggebern innerhalb und außerhalb des Konzerns stellt man hier eine breite Palette experimenteller und numerischer Untersuchungsmethoden zur Verfügung.

Zu den wichtigsten Aufgaben des Labors gehören neben den Entwicklungsarbeiten an den Turboladern im neu erstellten Prüfzentrum „Charles“ auch weltweite mobil durchgeführte Untersuchungen an Turboladern und Kraftwerksanlagen, mit denen ABB die Qualität an laufenden Maschinen und Anlagen sicherstellt.

Diese Prüfungen sorgen für einen wirtschaftlichen und störungsfreien Betrieb auch in komplexen Anlagen. Gerade diese Einsätze stellen besondere Ansprüche bezüglich der Mobilität und Sicherheit an die Messtechnik. Deshalb befindet sich im Gepäck der reisenden Ingenieure und Techniker der Data Recorder SIR-1000. Die mit bis zu 60 000 U/min rotierenden Schaufeln von Turbinen und Verdichtern moderner Turbomaschinen sind hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die Messungen müssen sicheres Datenmaterial für umfangreiche Untersuchungen zur Struktur, Festigkeit und zum Resonanzverhalten der geprüften Systeme liefern. Vor allem müssen sich die Ergebnisse dazu eignen, Grenzwerte für die verschiedenen Betriebszustände festzulegen, um die geforderte Betriebssicherheit und Lebensdauer zu garantieren.

Mit dem Messdatenrecorder führt man für diese Untersuchungen Schwingungsmessungen durch.

Die Schaufelschwingungen werden meist mit Dehnmessstreifen gemessen, die auf die Turbinen- oder Verdichterschaufeln aufgebracht sind. Die Signalübertragung aus dem Rotor erfolgt mittels Drehübertrager oder über Telemetrieeinrichtungen mit anschließender Signalkonditionierung. Diese Aufbereitung beinhaltet je nach konkreter Messaufgabe Signalverstärkung und -filterung. Am Verstärkerausgang der Frontends stehen dann kalibrierte Signale zur Verfügung, die in Abhängigkeit vom Schwingungsmode direkten Rückschluss auf die auftretenden mechanischen Spannungen erlauben.

Aussagekräftige Informationen über das Schwingungsverhalten der einzelnen Schaufeln zum Beispiel eines Turbinenrades erfordern gleichzeitig erfasste Signale mehrerer Komponenten. Der Phasenfehler zwischen den Kanälen muss dabei möglichst gering sein. Nur so ist es möglich, die einzelnen Schwingverläufe in Beziehung zu setzen. Aufgrund der hohen Schaufelraddrehzahlen muss das Erfassungssystem außerdem eine große Frequenzbandbreite pro Kanal zur Verfügung stellen können. Der Messdatenrecorder SIR-1000 erfüllt genau diese Grundanforderungen hervorragend (siehe Tabelle 1).

Wie bei den Messungen im Labor werden auch bei Aufnahmen an laufenden Anlagen vor Ort stets die originalen Rohdaten gespeichert. Damit sie zuverlässig jederzeit für detaillierte Frequenzanalysen zur Verfügung stehen, sind die Anforderungen an die Datensicherheit der hier eingesetzten Speichermedien natürlich sehr hoch. Denn manche Messungen lassen sich gar nicht oder nur mit hohem Zeit- und Kostenaufwand wiederholen. Und hier kann man sich auf den SIR-1000 verlassen.

Aber nicht nur wegen seiner sprichwörtlichen Zuverlässigkeit arbeiten die Ingenieure des Labors mit diesem Recorder. Die sehr unterschiedlichen Messaufgaben hinsichtlich Frequenzbandbreite, Kanalzahl und Versuchsdauer erfordern die universelle Einsatzfähigkeit des SIR-1000. Denn für ABB muss ein digitaler Messdatenrecorder die Anforderungen praktisch aller Versuche und Messaufgaben erfüllen. Hier erstreckt sich das Spektrum der zu berücksichtigenden Frequenzbandbreite von ca. 200Hz bis ca. 20kHz. Die Dauer der Versuche variiert von etwa 30 Minuten bis zu mehreren Tagen bei länger andauernden Untersuchungen. An Kanälen sind je nach Anforderung zwei bis 32 oder mehr gefragt.

Durch seine variable Bandgeschwindigkeit kann der SIR-1000 bis zu 32 Stunden ununterbrochen Signale aufnehmen. Besonders schätzt man im Labor von ABB, dass die Magnetbandgeräte Eigenschaften bieten, die zur Absicherung der Messaufgaben unbedingt erforderlich sind: Die Geräte arbeiten im gesamten Messbereich streng linear, mit geringstem Eigenrauschen und warten nahezu mit dem Idealfall eines rechteckförmigen Frequenzgangs auf. Sie schließen Phasenfehler von Kanal zu Kanal aus, und sie ermöglichen es, die Bandgeschwindigkeit nicht nur in Abhängigkeit von der Bandbreite frei zu wählen, sondern auch bei Aufnahme und Wiedergabe unterschiedliche Geschwindigkeiten einzustellen.

Und nicht zuletzt ist es der hohe Bedienkomfort des SIR-1000, der alle Messanwendungen erleichtert: Das übersichtliche Display erlaubt selbsterklärend die unkomplizierte Einstellung der Kanalparameter und gibt ständig Informationen über den Betriebszustand des Gerätes. Das Markieren und Anfahren von Bandstellen unterstützt die Arbeit bei der Auswertung. Im Außeneinsatz machen sich die kompakte Bauform, das geringe Gewicht, das robuste Gehäuse und der Batterie-Betrieb des SIR-1000 überaus angenehm bemerkbar.

Da für die Weiterverarbeitung und Analyse der Messungen der PC unverzichtbar ist, bietet der Hersteller verschiedene Soft- und Hardwarepakete speziell für den Datentransfer.

So können für die Weiterverarbeitung zum einen die aufgezeichneten Daten der abgeschlossenen Messung über die SCSI-Schnittstelle auf die Festplatte eines PCs überspielt werden.

Ist der PC bei der Messung vor Ort verfügbar, wie es zum Beispiel bei Aufnahmen am Prüfstand möglich ist, kann gleichzeitig mit der Aufzeichnung der Datentransfer über die SCSI-Schnittstelle zum PC erfolgen.

Eine dritte Möglichkeit ist der Einsatz eines AIT-Streamer-Laufwerks, dem man die bespielte Kassette des Recorders zur Datenspeicherung auf dem Rechner übergibt, während der Recorder für weitere Messungen frei bleibt. Das ist besonders praktisch, wenn Mess- und Auswertungsort räumlich getrennt sind.

Natürlich können die aufgezeichneten Daten auch analog wiedergegeben werden.

Der Service, den der Hersteller seinen Geräten und Kunden angedeihen lässt, tut ein übriges, dass man sich für leistungsstarkes Equipment wie den SIR-1000 entscheidet. Dieser Recorder empfiehlt sich überall dort, wo trotz unterschiedlichster Messanforderungen höchste Ansprüche an Datensicherheit, Solidität, Mobilität und Bedienkomfort gestellt werden.

Weitere Informationen A QE 601