Samstag, 8. April 2023 · 0 min read
Modaltest an den Schaufeln einer Wasserturbine
TIWAG, ein großer österreichischer Kraftwerksbetreiber, bat um Unterstützung bei der Validierung einer neu konzipierten Wasserturbine. Das alte Modell war durch eine Resonanzüberlagerung von Wellendrehzahl und Eigenresonanz der Schaufeln zerstört worden. Dewesoft lieferte eine effektive Feldlösung für die schnelle Validierung der Modalparameter der Turbine und die Speicherung der Daten zu Nachweiszwecken im Falle zukünftiger Probleme.
TIWAG ist der führende Energiedienstleister in Tirol in den westlichen österreichischen Alpen. Das Unternehmen errichtet und betreibt Wasserkraftwerke und erzeugt darüber hinaus umweltfreundlichen Strom aus heimischen, erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik und Biomasse.
Die Problematik
Der große österreichische Kraftwerksbetreiber bat uns um Unterstützung bei der Validierung eines neu konzipierten Wasserturbinenmodells, das zu dem Zeitpunkt bei einem anderen, auf die Herstellung von Turbinen spezialisierten Unternehmen im Einsatz war.
Bei der neu konzipierten Turbine handelt es sich um eine Pelton-Turbine, die im Wesentlichen aus einem sogenannten Laufrad besteht, einer großen runden Scheibe, die auf einer rotierenden Welle montiert ist. Das Laufrad ist mit doppelbecherförmigen Schaufeln bestückt, die in gleichmäßigen Abständen um das gesamte Rad herum angeordnet sind. Über Düsen wird das Triebwasser in Strahlen auf die Becher geleitet und versetzt so die Turbine in Drehung.
In diesem konkreten Fall hat das Laufrad einen Durchmesser von etwa 4 Metern und wiegt 10 Tonnen. Es ist mit 23 Becherschaufeln ausgestattet, wird von sechs Wasserdüsen mit einem Druck von etwa 120 bar angetrieben, läuft mit einer Nenndrehzahl von 500 U/min und erzeugt eine Leistung von 250 MW.
Das Vorgängermodell war durch eine unerwartete Resonanzüberlagerung einer höheren Harmonischen der Wellendrehzahl und der Eigenresonanzfrequenz der Schaufeln zerstört worden. Die dabei entstandenen starken Vibrationen hatten zum Totalausfall der Turbine geführt. Das Design musste also verändert werden.
Die Ingenieure der TIWAG brauchten eine Lösung für die Validierung der Modaleigenschaften des neuen Turbinendesigns mit einer modifizierten Schaufelform. Die geänderte Schaufelform sollte die Frequenz der ersten Mode von 700 Hz auf etwa 770 Hz verschieben, was die Ingenieure als sicher ansahen.
Dewesoft bot eine effektive Feldlösung für die Validierung der Modaltests und -analyse des Turbinenschaufeldesigns und die Speicherung der Daten zu Nachweiszwecken im Falle zukünftiger Probleme.
Konfiguration der Lösung
Hardware
Dewesoft SIRIUSi in kundenspezifischer Ausführung mit 2xACC, 2xACC+, 2xHV und 2xMULTI – 8-kanaliges isoliertes Datenerfassungssystem mit USB2-Schnittstelle
Endevco 2302-100 (Empfindlichkeit: 22,7 mV/N) – Impulshammer
PCB 352A56 (Empfindlichkeit: 99,3 mV/g) – Beschleunigungssensor
Software
DewesoftX – Prüf- und Messdatenerfassungssoftware für Datenaufzeichnung, Signalverarbeitung und Datenvisualisierung
DewesoftX-DSA – Softwarepaket mit Modaltest-Option, OPT-MODAL-TEST
Modaltests
In diesem Fall betrachteten wir einen Impulshammer- oder experimentellen Modaltest als angemessene Testmethode. Diese Methode hat den Vorteil, dass nur ein Minimum an Ausrüstung benötigt wird, nämlich ein Impulshammer und ein Sensor.
Beim Anschlagen mit dem Impulshammer stellte sich heraus, dass die Eigenfrequenzen der 23 Laufradschaufeln bei etwa 770 Hz lagen. Aufgrund der Fertigungsgenauigkeit der Turbine lagen sie sehr nahe beieinander, und die Phase drehte sich in einem engen Frequenzbereich mehrmals.
Die Wahl der Abtastrate (5000 Hz) und der Linienauflösung (8192 Linien, df = 0,305 Hz) war der kritischste Aspekt. Wir mussten beide Einstellungen aufeinander abstimmen und gleichzeitig die resultierende Messzeit für jeden Schlag im Auge behalten. Sie durfte nicht zu lang sein.
Die verwendete Frequenzauflösung erforderte die Erfassung einer recht großen Datenmenge und eine relativ lange Messzeit für die Berechnung einer FFT (t = 1 / df = 1/0,305 Hz = 3,28 s). Da die massive Stahlkonstruktion eine geringe Dämpfung aufweist, hielt die als Ton wahrnehmbare Schwingung nach jedem Hammerschlag einige Sekunden an. Deshalb war es auch wichtig, zwischen den einzelnen Schlägen ausreichend Zeit verstreichen zu lassen.
Das Geometriemodell
Im Modalgeometrie-Editor der Software vereinfachten wir die Schaufel zu einer 2D-Form mit acht an der Oberkante angeordneten Anregungspunkten. Zur korrekten Visualisierung und Schattierung der Bewegung verbanden wir diese Punkte durch Linien.
Der Beschleunigungssensor wurde an Punkt 8 angebracht, während wir im Rahmen der Routine mit dem Hammer von Punkt 1 zu Punkt 8 wanderten. Um den Erhalt eines brauchbaren Durchschnittsergebnisses zu gewährleisten, wurde jeder Messpunkt je drei Mal mit einem Hammerschlag angeregt. Auf diese Weise erstellten wir für jede Schaufel eine neue Datendatei.
Der Messbildschirm
Die Anzeige in Abb. 6 wird standardmäßig sofort nach Beginn der Messung automatisch generiert. Der Messbildschirm ermöglicht die Echtzeitvalidierung der Anregungs- und Antwortsignale im Zeit- und Frequenzbereich zur schnellen Identifizierung von Doppelschlägen und Wiederholungen sowie zur Kontrolle von Übertragungsfunktion und Kohärenz.
Die Software markiert den aktuell gemessenen Punkt in rot. Die Geometrie kann per Maus in 3D gedreht werden, und es stehen mehrere Visualisierungsoptionen wie Draufsicht, Seitenansicht, orthogonale Ansicht und unverformte Form im Hintergrund zur Verfügung.
Die Modalanalyse
Nach Abschluss der Messungen wechselten wir zum vordefinierten Bildschirm „Modaltest – Analyse“, um alle Übertragungsfunktionen – die Amplituden und die Phasen – in einem Bode-Diagramm zu untersuchen. Wenn sich die Phase um 180 Grad dreht und die Amplitude maximal ist, deutet dies auf eine Resonanz hin.
Frequenz und Dämpfung
Das Spektrum zeigte zahlreiche Resonanzen in einem schmalen Band (in Abb. 7 haben wir in den Bereich von 750–800 Hz gezoomt). Zu diesem Zeitpunkt waren wir hauptsächlich an unserer ersten Mode bei etwa 780 Hz interessiert. Hier erleichtert die lineare Skalierung der y-Achse das Auffinden des dominanten Peaks.
Der Modalkreis bot die Möglichkeit zum Erhalt genauerer Ergebnisse aus unserem experimentellen Modaltest. Er interpoliert zwischen den FFT-Linien. Die Strukturanimation unten zeigt eine sehr schöne Darstellung der ersten Mode (Auf-/Abwärtsbewegung der Schaufel, unverformte Struktur in hellgrau). Beachten Sie den geringen Dämpfungsfaktor, der durch die massive Stahlstruktur bedingt ist.
Fazit
Die Messungen an allen 23 Schaufeln ergaben eine durchschnittliche Resonanzfrequenz von 782,5 ±3,9 Hz. Die TIWAG-Ingenieure bewerteten dies als akzeptabel und das neue Turbinendesign als betriebssicher. Der gesamte Messvorgang, einschließlich des Aufbaus, nahm nur etwa 2 Stunden in Anspruch, und die TIWAG freut sich darauf, diese einfache Lösung im täglichen Betrieb einzusetzen.
„Bei Verwendung des vorherigen Messsystems war unser Kofferraum immer mit Geräten und Kabeln vollgestopft“, berichtet der Leiter der TIWAG-Prüfabteilung. „Das Dewesoft-System bietet eine viel kompaktere und robustere Lösung. Und die Durchführung der Tests geht viel schneller und macht mehr Spaß!“