DE102012219854B3

DE102012219854B3 - Vermeidung von Drehschwingungen bei Turbomaschinen

Info

Publication number: DE102012219854B3
Application number: DE201210219854
Authority: DE
Inventors: Georg Winkes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: WO2014067735A3; WO2014067735A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mit veränderlicher oder konstanter Drehzahl antreibbaren, zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz aufweisenden Antriebstrang (1) einer Turbomaschine, der beim Antrieb durch eine äußere Anregung mit sich verändernder Anregungsfrequenz angeregt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei einer Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mit veränderlicher oder konstanter Drehzahl antreibbaren, zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz aufweisenden Antriebstrangs einer Turbomaschine (Turbomaschinenstrang, kurz im Folgenden nur Antriebstrang), insbesondere eines Verdichterstrangs, bei dem der Antriebstrang mit sich verändernder oder konstanter Drehzahl angetrieben wird, wobei beim Antrieb des Antriebstrangs der Antriebstrang durch eine äußere Anregung mit sich verändernder Anregungsfrequenz angeregt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem solchen Turbomaschinen- bzw. Antriebstrang, insbesondere einem Verdichterstrang.
Verdichter bzw. Fluide komprimierende Vorrichtungen werden in verschiedenen Industriebereichen für verschiedene Anwendungen genutzt, bei denen es um eine Kompression oder Verdichtung von Fluiden, im Speziellen (Prozess-)Gasen, geht.
Bekannte Beispiele hierfür sind Turboverdichter in mobilen industriellen Anwendungen, wie in Abgasturboladern oder in Strahltriebwerken, oder auch in stationären industriellen Anwendungen, wie Getriebe- bzw. Getriebeturboverdichter für chemische oder petrochemische Anlagen, beispielsweise zur Luftzerlegung oder Erdgasverflüssigung.
Bei einem solchen – in seiner Arbeitsweise kontinuierlich arbeitenden – Turboverdichter wird die Druckerhöhung (Verdichtung) des Fluids dadurch bewirkt, dass ein Drehimpuls des Fluids von Eintritt zu Austritt durch ein rotierendes, radial erstreckende Schaufeln aufweisendes Laufrad des Turboverdichters durch die Rotation von den Schaufeln erhöht wird. Hier, d. h. in einer solchen Verdichterstufe, steigen Druck und Temperatur des Fluids, während die relative (Strömungs-)Geschwindigkeit des Fluids im Laufrad bzw. Turbolaufrad sinkt.
Um eine möglichst hohe Druckerhöhung bzw. Verdichtung des Fluids zu erreichen, können mehrere solcher Verdichterstufen hintereinander geschaltet werden.
Als bekannte Bauformen von Turboverdichtern unterscheidet man zwischen Radial-, Axial- und kombinierten Axial-Radialverdichtern bzw. zwischen Ein-Wellen- und Getriebeverdichtern.
Bei dem Axialverdichter strömt das zu komprimierende Fluid, beispielsweise ein Prozessgas, in paralleler Richtung zur Achse (Axialrichtung) durch den Verdichter. Bei dem Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial, Radialrichtung) abgelenkt. Bei mehrstufigen Radialverdichtern wird damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig.
Kombinierte Bauarten von Axial- und Radialverdichtern saugen mit ihren Axialstufen große Volumenströme an, die in den anschließenden Radialstufen auf hohe Drücke komprimiert werden.
Während meist einwellige Maschinen (Ein-Wellen-Turboverdichter), bei denen eine oder mehrere Verdichterstufen auf bzw. über ein und derselben Welle realisiert ist bzw. sind, zum Einsatz kommen, sind bei (mehrstufigen) Getriebeturboverdichtern (kurz im Folgenden auch nur Getriebeverdichter) die einzelnen Verdichterstufen um ein Großrad herum gruppiert, wobei mehrere parallele (Ritzel-)Wellen, die jeweils ein oder zwei – in als Gehäuseanbauten realisierte Spiralgehäusen aufgenommene – Laufräder (an freien Wellenenden der Ritzelwellen angeordnete Turbolaufräder) tragen, von einem großen, im Gehäuse gelagerten Antriebszahnrad, einem Großrad, angetrieben werden.
Ein Antrieb eines Verdichters erfolgt in der Regel mittels einer mit dem Verdichter mechanisch bzw. ein Drehmoment übertragbar gekoppelte Antriebseinheit, beispielsweise eines (Elektro-)Motor oder einer Turbine. Deren Abtrieb bzw. Abtriebswelle ist mittelbar, beispielsweise unter Dazwischenschaltung eines Getriebes oder einer Kupplung, oder unmittelbar, beispielsweise durch eine gemeinsame Abtriebs-/Antriebswelle, mit der Antriebswelle des Verdichters verbunden.
Dieses mechanische Antrieb-/Abtriebssystem des Verdichters, d. h. die gesamte mechanische, das Drehmoment übertragende Kette aus, beispielsweise Abtriebswelle(-n), Kupplung(-en), (Zwischen-)Getriebe(-n), Abtriebswelle(-n), beim Verdichter wird dabei als Verdichterstrang – im Allgemeinen bei Turbomaschinen entsprechend als Maschinen- oder nur Antriebstrang – bezeichnet. Auch kann bzw. können an diesem Verdichterstrang – neben dem Verdichter – eine weitere bzw. weitere Turbomaschinen – mit entsprechenden Elementen, wie Wellen, Kupplungen, Getrieben u. ä., angebunden sein, welche dann auch mit dem Verdichterstrang mitumfasst sein sollen.
Es ist bekannt, mit verschiedenen Methoden der Verdichterausführung und Betriebsweise, wie z. B. Drosselung, Verstellung von Eintrittleitgittern bzw. Verstellung von Betriebsdrehzahlen, ein regelbares Verdichterkennfeld zu erzeugen.
Hierbei kommen Verdichterstränge antreibende, umrichtergeführte Elektromotoren zum Einsatz, um einen Betriebsdrehzahlbereich der Anlage bzw. des Verdichters (Leistungsbereich der Anlage) zu ermöglichen bzw. das Drehzahl- bzw. Verdichterkennfeld zu erzeugen.
Dabei erfolgt eine – beispielsweise für eine geforderte Leistungsänderung bzw. -steigerung des Verdichters bzw. Verdichterstrangs erforderliche – Drehzahländerung im Verdichterstrang durch entsprechende Ansteuerung der den Verdichterstrang antreibenden Elektromotoren mittels elektronischer Frequenzumrichter (im Folgenden nur kurz Frequenzumrichter oder nur Umrichter).
Auch werden über diese Frequenzumrichter Schwankungen bei Netzfrequenzen kompensiert.
Frequenzumrichter sind ebenfalls bekannt. Ein Frequenzumrichter ist z. B. ein Stromrichter der aus einem Wechselstrom (sowohl Einphasenwechselstrom als auch Dreiphasenwechselstrom) mit bestimmter Frequenz eine in Amplitude und Frequenz veränderbare Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann ein Verbraucher, in der Regel ein Drehstrommotor, betrieben.
Durch eine zweimalige Umwandlung eines elektrischen Stroms bzw. einer elektrischen Spannung von dem Wechselstrom auf einer Netzseite, zu dem Gleichstrom innerhalb des Umrichters und schließlich zu einem Wechselstrom auf Seite des Elektromotors werden zusätzlich zu einer Speisefrequenz des Elektromotors auch torsionsanregende Frequenzanteile generiert.
Diese anregenden Frequenzanteile, überwiegend harmonische und interharmonische Anregungen, können Torsionsresonanzen im Verdichterstrang, d. h. in Bauteilen und/oder Komponenten des mechanischen Antriebssystems bzw. im Verdichterstrang, verursachen.
Diese Torsionsresonanzen führen zu Schwingungen in den Bauteilen bzw. Komponenten des Verdichterstrangs, insbesondere zu Torsionsschwingungen in Wellen und/oder Radialschwingungen in Zwischengetrieben.
Infolge solcher Torsionsschwingungen bzw. Radialschwingungen mit infolge entsprechender hohen Bauteilbelastungen kann es zu Bauteilversagen bei den Bauteilen der Verdichterstränge kommen.
Ausbau und Ersatz bzw. Reparatur der beschädigten Bauteile des Verdichterstrangs sowie erforderliche Stillstandszeiten der Anlagen erzeugen hohen Kosten.
Diese hier für Verdichterstränge geschilderten Nachteile, d. h. schwingungsbedingte Bauteilsbeschädigungen und -ausfälle sowie dadurch verursachte Anlagenstillstandszeiten und Kosten, treten in entsprechender Weise auch bei anderen Turbomaschinen mit dortigen mit veränderlicher Drehzahl antreibbaren, zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz aufweisenden Turbomaschinenstränge bzw. Antriebsträngen auf.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, schwingungsbedingte Bauteilsbeschädigungen und -ausfälle bei Antriebssträngen von Turbomaschinen zu verhindern bzw. zu vermindern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines mit veränderlicher oder konstanter Drehzahl antreibbaren, zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz aufweisenden Antriebstrangs einer Turbomaschine (Turbomaschinenstrang, im Folgenden nur Antriebstrang) sowie durch eine Anordnung mit einem solchen Antriebstrang mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Dieser Antriebstrang wird bei dessen drehzahlveränderlichem oder drehzahlkonstantem Antrieb durch eine äußere Anregung mit sich verändernder Anregungsfrequenz angeregt bzw. dieser Antriebstrang ist bei dessen drehzahlveränderlichem oder drehzahlkonstantem Antrieb durch eine äußere Anregung mit sich verändernder Anregungsfrequenz anregbar. Nähert sich die äußere Anregung des Antriebstrangs einer Torsionseigenschwingung des Antriebstrangs an, so kann eine Torsionsresonanz (Resonanzbedingung) im Antriebstrang, d. h. in Bauteilen und/oder Komponenten des mechanischen Antriebssystems bzw. im Antriebstrang, auftreten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass – im drehzahlveränderlichen oder drehzahlkonstanten Betrieb des Antriebstrangs – bei einer Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs verändert wird.
Vereinfacht ausgedrückt, die Erfindung „manipuliert” im Falle einer Annäherung einer äußeren Anregung bzw. betrieblichen Anregungsfrequenz des Antriebstrangs an eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs. Anschaulich ausgedrückt, wenn der Antriebstrang (bei dieser Annährung von betrieblicher Anregungsfrequenz an die Torsionseigenfrequenz) in eine Torsionsresonanzbedingung „hineinläuft”, verschiebt die Erfindung die Torsionseigenfrequenz (weg von der betrieblichen Anregungsfrequenz), und stellt so einen ausreichenden Abstand zwischen der geänderten/manipulierten Torsionseigenfrequenz und der betrieblichen Anregungsfrequenz her bzw. der äußeren Anregung zu der (geänderten/manipulierten) Resonanzbedingung her.
Entsprechend kann weiter dann auch vorgesehen sein, dass bei (Wieder-)Erreichen eines bestimmten Abstands zwischen der geänderten/manipulierten Torsionseigenfrequenz und der betrieblichen Anregungsfrequenz die „Manipulation” wieder rückgängig gemacht wird. D. h., die geänderte/manipulierte Torsionseigenfrequenz wird wieder – auf die ursprüngliche Torsionseigenfrequenz (zurück-)verschoben/verändert.
Damit erreicht die Erfindung, dass ein Betriebspunkt des Antriebstrangs mit dortig auftretender äußerer Anregung des Antriebstrangs immer abweichend von einer Torsionsresonanzbedingung des Antriebstrangs gehalten werden kann.
Betriebszustände von Turbomaschinen, wie Verdichter, in Torsionsresonanzzuständen mit nicht-dauerhaft übertragbaren dynamischen Torsionsmomenten bzw. Drehschwingungen werden hierdurch vermieden.
Da Torsionsresonanzen im Antriebstrang von Turbomaschinen typischerweise schwach gedämpft sind, ist meist nur eine geringe Torsionseigenfrequenzänderung/-verschiebung notwendig, um (wieder) einen ausreichenden Abstand des Betriebspunkts der Turbomaschine zur „veränderten/verschobenen Resonanzbedingung” herzustellen.
Torsionsresonanzbedingte, hohe (Dreh-)Schwingungen in den Bauteilen bzw. Komponenten des Antriebstrangs, dadurch hervorgerufene Bauteilbelastungen mit Bauteilschäden, Stillstandszeiten und Kosten werden vermindert.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist ein schaltbares, die zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs änderndes Antriebstrangelement sowie eine Steuerungseinheit auf.
Diese Steuereinheit ermittelt eine Annäherung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs und steuert, wenn die Annährung ermittelt bzw. festgestellt ist, die Schaltung des Antriebstrangelements zur Veränderung der zumindest einen Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs.
Dabei meint die Erfindung mit dem schaltbaren, die zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs ändernden Antriebstrangelement ein Element bzw. Bauteil des Antriebstrangs, beispielsweise ein Massenelement, wie eine Schwungmasse, insbesondere eine ringförmige Masse aus Stahl, welches manipulier-/schaltbar ist.
Durch diese Manipulation/Schaltung des Antriebstrangelements wird dann die konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs beeinflusst/geändert.
So kann beispielsweise diese Torsionseigenfrequenz – beeinflussende/ändernde Manipulation/Schaltung des Antriebstrangelements eine Positions- und/oder Form- und/oder Gestaltänderung und/oder auch eine Änderung einer Materialeigenschaft des Antriebstrangelements sein, welche die Konfiguration des Antriebstrangs verändert.
Dabei kann über die Manipulation/Schaltung des Antriebstrangelements, wie die Positions- und/oder Form- und/oder Gestalt- und/oder Materialeigenschaftsänderung des Antriebstrangelements, bzw. über die Konfigurationsänderung des Antriebstrangs eine Steifigkeit des Antriebstrangs geändert werden. Diese Änderung der Steifigkeit des Antriebstrangs führt dann zu der Änderung der Torsionseigenfrequenz.
Vereinfacht ausgedrückt, durch die durch das Schalten des Antriebstrangelements bewirkte Konfigurations-/Steifigkeitsänderung und Torsionseigenfrequenzänderung des Antriebstrangs verschiebt sich die Torsionseigenfrequenz (weg von der betrieblichen Anregungsfrequenz), und stellt so einen ausreichenden Abstand zwischen der geänderten/manipulierten Torsionseigenfrequenz und der betrieblichen Anregungsfrequenz her.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der „Verschiebungsbetrag/wert” größer ist als zweimal eine Schaltschwelle, wodurch dann über diese hinweggeschoben werden kann.
Entsprechend kann weiter dann auch vorgesehen sein, dass bei (Wieder-)Erreichen eines bestimmten Abstands zwischen der geänderten/manipulierten Torsionseigenfrequenz und der betrieblichen Anregungsfrequenz das Antriebstrangelement wieder (zurück-)geschalten wird, wodurch die „Manipulation” wieder rückgängig gemacht wird. D. h., die geänderte/manipulierte Torsionseigenfrequenz wird wieder auf die ursprüngliche Torsionseigenfrequenz (zurück-)verschoben/verändert.
Damit erreicht die Erfindung, dass ein Betriebspunkt – insbesondere im Dauerbetrieb – des Antriebstrangs mit dortig auftretender äußerer Anregung des Antriebstrangs immer abweichend von einer Torsionsresonanzbedingung des Antriebstrangs gehalten werden kann.
Unter dauerhaft bzw. dauerhaftem Betrieb/Betriebszustand kann dabei ein für eine vorgebbare Zeitspanne eingenommener und für diese Zeitspanne angehaltener bzw. anhaltender (Betriebs-)Zustand verstanden werden. Diese Zeitspanne überschreitet dabei in der Regel eine Zeitdauer von einer oder wenigen Sekunden.
Betriebszustände von Turbomaschinen, wie Verdichter, in Torsionsresonanzzuständen mit nicht-dauerhaft übertragbaren dynamischen Torsionsmomenten bzw. Drehschwingungen werden hierdurch vermieden.
Torsionsresonanzbedingte, hohe Schwingungen in den Bauteilen bzw. Komponenten des Antriebstrangs, dadurch hervorgerufene Bauteilbelastungen mit möglichen Bauteilschäden, Stillstandszeiten und Kosten werden vermindert.
Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine Auswahl einer Antriebseinheit für den Antriebstrang, wie eines umrichtergeführten Elektromotors mit einem Umrichter, ohne besondere Einschränkung getroffen werden kann.
Integriert man die Erfindung (fest) in das Antriebskonzept bzw. in das Konzept einer Antriebseinheit für eine Turbomaschine, beispielsweise in eine den Antriebstrang mit der veränderlichen oder konstanten Drehzahl antreibbare, frequenzumrichtergeführte Antriebseinheit, beispielsweise einen Elektromotor, und/oder bzw. mit einem die Antriebseinheit führenden Frequenzumrichter, so kann durch die Erfindung eine „universelle” Antriebseinheit – unabhängig von einer spezifischen Antriebs- bzw. Rotordynamik einer Turbomaschine – zur Verfügung gestellt werden.
D. h., durch die Erfindung kann so ein „universelles” System zur Verfügung gestellt werden, das mit geringem Aufwand an alle möglichen Turbomaschinen und deren individuelle Antriebs- bzw. Rotordynamik angepasst werden kann.
Auch können durch die Erfindung – mit deren nur „situationsgegebenen”, d. h. nur bei betrieblicher Annäherung der äußeren Anregung an eine Torsionseigenfrequenz, Eingriff – Beschränkungen des Dauerbetriebdrehzahlbereichs, wie – Resonanz bedingt – (dauerhaft) gesperrte Drehzahlbereiche/-bänder vermieden werden.
Somit sind auch die Auswirkungen bzw. Einschränkungen für den Anlagenbetrieb und auch der Leistungsmehrbedarf einer Turbomaschine ebenfalls auf ein Minimum reduziert.
Auch weitere – das Resonanzverhalten einer Turbomaschine beeinflussende – Einflussgrößen, wie z. B. Netzfrequenzschwankungen, leistungsabhängige Resonanzamplituden oder Veränderungen an der Turbomaschine bzw. an deren Antriebstrang usw., können durch die Erfindung für einen „resonanzfreien” drehzahlveränderlichen Betrieb einer Turbomaschine unberücksichtigt bleiben.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen. Die Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das erfindungsgemäße Verfahren wie auch auf die erfindungsgemäße Anordnung.
Die Erfindung und die beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert werden.
Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches die Erfindung oder die Weiterbildung ausführt.
Auch können die Erfindung und/oder jede beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches die Erfindung und/oder die Weiterbildung ausführt.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung wird die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs durch eine Änderung einer Steifigkeit des Antriebstrangs bzw. im Antriebstrang geändert. D. h., es wird die Steifigkeit des Antriebstrangs, insbesondere durch eine Änderung der Konfiguration im Antriebstrang, geändert, wenn die Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung des Antriebstrangs an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs festgestellt wird bzw. ist.
Die Steifigkeit ist eine Größe, welche den Widerstand eines Körpers gegen Verformung durch eine Kraft oder ein Drehmoment beschreibt. Die Steifigkeit eines Körpers bestimmt dessen Eigenfrequenzen, so dass bei Änderung der Steifigkeit sich auch die Eigenfrequenzen des Körpers ändern. Die Steifigkeit eines Körpers ist dabei von dessen Werkstoff bzw. Material sowie dessen Geometrie/Konfiguration abhängig.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung wird die Änderung der Steifigkeit des Antriebstrangs durch eine Änderung der Konfiguration im Antriebstrang realisiert.
Eine solche Konfigurationsänderung im Antriebstrang kann durch ein Versteifen/Lockern einer Verbindung zwischen dem Antriebstrangelement und einem anderen Antriebstrangelement, d. h. durch ein Versteifen/Lockern einer Verbindung zwischen zwei Antriebstrangelementen, oder durch ein Ankoppeln/Entkoppeln des Antriebstrangelementes an den/von dem Antriebstrang realisiert werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Antriebstrang mehrere solche versteifbare/lockerbare Verbindungen zwischen den zwei Antriebstrangelementen und/oder mehrere solche ankoppelbare/entkoppelbare Antriebstrangelemente auf.
Eine besonders einfache Realisierung lässt sich dadurch erreichen, wenn das Antriebstrangelement eine – an geeigneter Stelle im/am Antriebstrang anordbare – Zusatzschwungmasse ist.
Insbesondere geeignet ist es, das Antriebstrangelement bzw. eine solche Zusatzmasse nichtantriebsseitig im/am Antriebstrang anzuordnen. Da dies aus konstruktiven Gründen ofmals nicht bzw. nur schwer möglich ist, kann das Antriebstrangelement bzw. eine solche Zusatzmasse auch antriebsseitig im/am Antriebstrang angeordnet werden.
Bringt man an geeigneter Stelle im/am Antriebstrang eine solche Zusatzschwungmasse (zusätzliches Massenträgheitsmoment), d. h. das Antriebstrangelement, nur sehr lose, „über eine weiche Feder” gekoppelt an, so ändern sich dadurch die Eigenfrequenzen des Antriebstrangs nicht bzw. kaum. Die durch die Anbringung der Zusatzschwungmasse neu hinzukommende Eigenform mit einem Knoten nahe der Anbringung der Zusatzschwungmasse im/am Antriebstrang hat eine sehr niedrige Frequenz und kann so abgestimmt werden, dass dadurch keine Probleme beim Antriebstrang zu erwarten sind. Wenn sich nun die äußere Anregung (zu sehr) der zumindest einen Torsionseigenfrequenz (oder einer Torsionseigenfrequenz) des Antriebstrangs nähert, wird die – lose, „über eine weiche Feder gekoppelte” – Verbindung der Zusatzschwungmasse zum Antriebstrang versteift. Vereinfacht ausgedrückt, die Zusatzschwungmasse wird starr an den Antriebstrang angekoppelt.
Dadurch wird die Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs verschoben, – gerade so weit – dass keine unzulässig hohen Schwingungsamplituden mehr möglich sind. Verschiebt sich – betriebs- bzw. antrieblich bedingt – die äußere Anregung bzw. die Anregungsfrequenz der äußeren Anregung weiter und nähert sich so der verschobenen Torsionseigenfrequenz, so kann die Verbindung/Kopplung/Versteifung wieder auf „weich” geschalten werden, d. h. gelöst werden, so dass erneut ausreichender Abstand zwischen äußerer Anregung und Torsionseigenfrequenz gegeben ist.
Das Versteifen/Lockern der Verbindung und/oder das Ankoppeln/Entkoppeln des Antriebstrangelements können/kann unter Verwendung einer, insbesondere pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch schaltbaren, Kupplung erfolgen. So kann nach einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen sein, dass der Antriebstrang eine das Antriebstrangelement schaltbare, insbesondere pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch schaltbare, durch die Steuereinheit gesteuerte Kupplung aufweist.
Wird beispielsweise eine elektromagnetische Kupplung verwendet, so wird durch deren Magnetkraft eine reibschlüssige Verbindung zwischen der Oberfläche des Antriebstrangelements und des anderen Antriebstrangelements hergestellt, wodurch das Antriebstrangelement starr an den Antriebstrang gekoppelt und die Torsionseigenfrequenz verschoben wird.
Eine elektrische Versorgung von dafür verwendeten Magnetspulen kann über einen rotierenden Spulensatz erfolgen, der einen Anker eines Wechselstromgenerators – koaxial auf einer Welle im Antriebstrang – bildet. Durch Schalten einer außen liegenden, ruhenden Erregerwicklung kann die Verbindung des Antriebstrangelements kontaktlos gesteuert werden.
Auch können Bürsten verwendet werden, über die die notwendige elektrische Versorgung für eine solche elektromagnetische Kupplung aufgebracht werden kann.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist auch vorgesehen, dass die Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung des Antriebstrangs an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs durch einen Vergleich der Anregungsfrequenz mit der zumindest einen Torsionseigenfrequenz ermittelt wird.
Hier kann insbesondere die Annäherung dann festgestellt sein, wenn bei dem Vergleich der Anregungsfrequenz mit der zumindest einen Torsionseigenfrequenz ein vorgebbarer Grenzwert unterschritten ist. Die Steuereinheit kann dann einen Steuerbefehl „Schalten” bzw. „Einkuppeln” zur Schaltung des Antriebstrangelements geben, wodurch dann – bei Schaltung des Antriebstrangelements – die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs geändert bzw. verschoben wird.
Dabei kann die Anregungsfrequenz der äußeren Anregung des Antriebstrangs, insbesondere während des Antriebs des Antriebstrangs, d. h. online, errechnet werden. Auch die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs – wie gegebenenfalls weitere Torsionseigenfrequenzen des Antriebstrangs können errechnet werden.
Auch kann die Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung des Antriebstrangs an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs durch Ermittlung einer dynamischen Torsionsbelastung im Antriebstrang ermittelt werden.
Dem liegt zugrunde, dass bei Annäherung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung des Antriebstrangs an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs der Antriebstrang in eine Torsionsresonanzbedingung „hineinläuft”, was zu steigenden Torsionsbelastungen bzw. Drehschwingungen im Antriebstrang führt.
Dazu kann, insbesondere im Rahmen einer Online- bzw. permanenten (Zustands-)Überwachung des Antriebstrangs, eine die dynamische Torsionsbelastung im Antriebstrang repräsentierende Belastungsgröße, d. h. ein Belastungswert, wie insbesondere ein dynamisches Torsionsmoment im Antriebstrang oder ein Wechselanteil einer Torsionsspannung im Antriebstrang, eine dynamische Wellendrehzahl im Antriebstrang, eine dynamische relative Wellenschwingung im Antriebstrang oder ein dynamischer drehmomentbildender Strom einer Antriebseinheit des Antriebstrangs, ermittelt bzw. gemessen werden.
Die Annäherung kann dann festgestellt sein, wenn der die ermittelte dynamische Torsionsbelastung beschreibende Belastungswert einen vorgebbaren Grenzwert, üblicherweise eine Maximalbelastung bzw. einen Maximalwert, überschreitet.
Sollte, wie im Fall einer Torsionsresonanzbedingung im Antriebstrang bei entsprechender Festlegung des Grenzwerts entsprechend vorsehbar, der Wert der Maximalbelastung bzw. der Maximalwert überschritten sein, kann die Torsionseigenfrequenz geändert bzw. das Antriebstrangelement geschalten, beispielsweise angekuppelt, werden. Die Torsionsresonanz wird durch Verschiebung der Torsionseigenfrequenz „aufgelöst”.
Auch kann vorgesehen sein, dass der „Verschiebungsbetrag/wert” größer ist als zweimal eine Schaltschwelle, wodurch dann über diese hinweggeschoben werden kann.
Bevorzugt wird das dynamische Torsionsmoment im Antriebstrang bzw. an einem Bauteil, insbesondere an einer Welle oder einer Kupplung, des Antriebstrangs gemessen. Torsionsmessungen an Wellen oder Kupplungen sind einfach und kostengünstig zu realisieren.
Besonders bevorzugt erfolgt die Messung des dynamischen Torsionsmoments mittels der DMS-Technologie. Diese DMS-Technologie ist vielfach erprobt, insbesondere für dynamische Belastungen geeignet, ausgereift, zuverlässig und einfach sowie kostengünstig zu realisieren.
Insbesondere können Dehnmessstreifen auf einer Welle oder Kupplung des Antriebstrangs aufgebracht werden, mittels derer das Torsionsmoment, d. h. im Allgemeinen der Belastungswert, und damit die dynamische Torsionsbelastung im Antriebstrang messbar ist. Eine Kupplung eignet sich deshalb besonders, da dort der Ort der höchsten Verdrehung im Antriebstrang ist.
Als der Belastungswert kann auch die dynamische Wellendrehzahl im Verdichterstrang, die dynamische relative Wellenschwingung im Verdichterstrang oder der dynamische drehmomentbildende Strom der Antriebseinheit verwendet werden. Auch diese Größen geben die dynamische Torsionsbelastung im Verdichterstrang sehr gut wieder.
Um einen drehzahlveränderlichen Betrieb des Antriebstrangs zu realisieren, kann eine den Antriebstrang mit veränderlicher Drehzahl antreibende Antriebseinheit vorgesehen werden. Bevorzugt kann hier ein frequenzumrichtergeführter Elektromotor vorgesehen sein, wobei der Elektromotor unter Verwendung des Frequenzumrichters zur Veränderung der Drehzahl und/oder zur Kompensation einer Netzfrequenz gesteuert wird.
Üblicherweise weist der Antriebstrang mehrere konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenzen auf. Hier kann dann vorgesehen sein, dass bei der Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung an eine von den mehreren Torsionseigenfrequenzen zumindest diese eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs verändert wird.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung weist ein Turboverdichter, insbesondere ein Ein-Wellen-Turboverdichter oder ein Getriebeturboverdichter, die Erfindung bzw. die erfindungsgemäße Anordnung, d. h. den Antriebstrang, das schaltbare Antriebstrangelement sowie die Steuereinheit, auf, so dass durch die Erfindung dann der Turboverdichter bzw. der Betrieb des Turboverdichters entsprechend der Erfindung bei Vermeidung eines Dauerbetriebs in der Torsionsresonanz bzw. sonst dort auftretender Drehschwingungen gesteuert werden kann.
Auch kann die Erfindung eingesetzt werden bei einer großtechnischen Anlage, insbesondere bei einer chemischen oder petrochemischen Anlage, wie einer Anlage zu einer Luftzerlegung oder einer Anlage zu einer (Erdgas-)Verflüssigung, welche dann den Verdichterstrang aufweist.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wird der Fachmann jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der Anordnung und/oder des Verdichterstrangs gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch kombinierbar.
In Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im Weiteren näher erläutert wird.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Verdichteranlage mit einem mittels eines umrichtergeführten Elektromotors angetriebenen Verdichterstrang gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 einen Ausschnitt aus einem Verdichterstrang einer Verdichteranlage mit schaltbarer Zusatzschwungmasse am Verdichterstrang gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 einen Ausschnitt aus einem Verdichterstrang einer Verdichteranlage mit schaltbarer Zusatzschwungmasse am Verdichterstrang gemäß dem Ausführungsbeispiel;
4 einen Ausschnitt aus einem Verdichterstrang einer Verdichteranlage mit schaltbarer Zusatzschwungmasse am Verdichterstrang gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiel: Vermeidung von Drehschwingungen bzw. frequenzumrichtererregten Torsionsresonanzen an Antriebssträngen von Turbomaschinen durch veränderbare Eigenfrequenzen
1 zeigt – schematisch – eine Verdichteranlage 50, beispielsweise zu einer Ergasverflüssigung, mit einem Verdichterstrang 1 mit einem Ein-Wellen-Turboverdichter, kurz nur Verdichter 51.
Bei dem Verdichterstrang 1 kommt ein – diesen Verdichterstrang 1 mit veränderbarer Drehzahl antreibende – umrichtergeführte Antriebseinheit 2 (Elektromotor) zum Einsatz, um einen Betriebsdrehzahlbereich der Verdichteranlage 50 bzw. des Verdichters 51 zu ermöglichen.
Hierbei erfolgt eine – beispielsweise für eine geforderte Leistungsänderung bzw. -steigerung des Verdichters 51 bzw. Verdichterstrangs 1 erforderliche – Drehzahländerung im Verdichterstrang 1 durch entsprechende Ansteuerung der den Verdichterstrang 1 antreibenden Antriebseinheit 2 (Elektromotor) mittels eines elektronischen Frequenzumrichters 3.
Durch eine zweimalige Umwandlung eines elektrischen Stroms von einem Wechselstrom auf einer Netzseite 13, zu einem Gleichstrom innerhalb des elektronischen Frequenzumrichters 3 und schließlich zu einem Wechselstrom auf einer Elektromotorseite 14 der Antriebseinheit 2 (Elektromotor) werden zusätzlich zu einer Speisefrequenz der Antriebseinheit 2 (Elektromotor) auch torsionsanregende Frequenzanteile, im Allgemeinen Anregungsfrequenzen einer äußeren Anregung des Verdichterstrangs 1, generiert.
Diese anregenden Frequenzanteile, überwiegend harmonische und interharmonische Anregungen, bzw. diese äußere Anregung des Verdichterstrangs 1 können bei deren Annäherung an konfigurationsbedingte Torsionseigenfrequenzen des Verdichterstrangs 1 Torsionsresonanzen (Resonanzbedingung) im Verdichterstrang 1, d. h. in Bauteilen 4 (Welle, Kupplung, Abtriebs-/Antriebswelle) des mechanischen Antriebssystems bzw. im Verdichterstrang 1, wie Wellen oder Kupplungen u. ä., verursachen.
Diese Torsionsresonanzen führen zu Schwingungen und Belastungen in den Bauteilen 4 des Verdichterstrangs 1 und können zu Bauteilversagen im Verdichterstrang 1 führen.
Um einen sicheren Betrieb des Verdichterstrangs 1, d. h. einen stationären Betrieb (Dauerbetrieb) außerhalb der Torsionsresonanzen, zu gewährleisten, sieht die Verdichteranlage 50 eine – gesteuert über eine Steuereinheit 15 – schaltbare, antriebsseitig an der Motorwelle 9 des Elektromotors 2 angeordnete Zusatzschwungmasse 5 vor (vgl. 2–4), um – situativ – die Torsionseigenfrequenzen – im Falle einer Annäherung einer äußeren Anregung an eine Torsionseigenfrequenz des Verdichterstrangs 1 – zu ändern.
Eine Steuereinheit 15 ist Bestandteil einer Leittechnik 52 der Verdichteranlage 50, über welche die Verdichteranlage 50 im Betrieb gefahren wird, und schaltet dabei auch die Zusatzschwungmasse 5.
Die 2–4 zeigen Ausschnitte aus dem Verdichterstrang 1 mit der an der Motorwelle 9 angeordneten, schaltbaren Zusatzschwungmasse 5.
Die – mit der Motorwelle 9 mitrotierende – Zusatzschwungmasse 5, ein zylinder- bzw. ringförmiger Stahlkörper, ist dabei axial, d. h. in Längsrichtung der Motorwelle 9, pneumatisch zwischen zwei Schaltpositionen, „Ausgekuppelt” (erste Schaltposition, siehe 2 und 3) und „Eingekuppelt” (zweite Schaltposition, siehe 4, während des Betriebs des Verdichters 51, d. h. während des Mitrotierens mit der Motorwelle 9) verschiebbar.
Dazu ist ein scheibenförmiges Trägerstück 8 fest – und damit mit der Motorwelle 9 mitrotierend – mit der Motorwelle 9 verbunden, beispielsweise zwischengeflanscht.
Über den Umfang des Trägerstücks 8 verteilt sind Bohrungen 10 im Trägerstück 8 eingebracht, in welche Stifte 12 verpresst sind.
Über diese Stifte 12 ist die Zusatzschwungmasse 5 mit dem Trägerstück 8 verbunden – und rotiert im Verbund von Motorwelle 9, Trägerstück 8 und Zusatzschwungmasse 5 mit der Motorwelle 9 mit.
Die Zusatzschwungmasse 5 weist dazu – entsprechend dieser Bohrungen 10 im Trägerstück 8 – ebenfalls über den Umfang verteilte Bohrungen 23 (in Zusatzschwungmasse 5) auf, in welchen die Stifte 12 – in durch die Schaltung veränderbarer Tiefe – mit einer Spielpassung sitzen, wodurch eine axiale und in geringem Maße auch rotatorische Verschieblichkeit der Zusatzschwungmasse 5 – relativ zur Motorwelle 9 bzw. zum Trägerstück 8 – ermöglicht wird.
Über auf den Stiften 12 aufgeschobene Federn 11 werden, wie 2 und 3 zeigen, die Zusatzschwungmasse 5 und das Trägerstück 8 – in die Position „Ausgekuppelt” – relativ zueinander auseinander gedrückt (Positionsverschiebung 22 (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5).
Durch die Länge und den Durchmesser bzw. der Spielpassung der Stifte 12 kann eine Steifigkeit bestimmt werden, die ein Verbund „Zusatzschwungmasse-Welle” bei einer relativen Verdrehung zwischen der Zusatzschwungmasse 5 und einer Welle 9 (Motorwelle) hat.
Über eine – über die Schaltung bzw. Positionsänderung (Positionsverschiebung 22 (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5)) von der ersten in die zweite Schaltposition der Zusatzschwungmasse 5 (schaltbar) weiter veränderbare – Steifigkeit des Verdichterstrangs 1 wird Einfluss genommen auf die Torsionseigenfrequenzen des Verdichterstrangs 1.
Die Länge und die Spielpassung der Stifte 12 sind derart bemessen, dass in der Position „Ausgekuppelt” eine hinreichend weiche bzw. lose Anbindung der Zusatzschwungmasse 5 an die Motorwelle 9 realisiert ist, wodurch sich die Eigenfrequenzen des Systems „Verdichterstrang” – im Vergleich zum Verdichterstrang 1 ohne die Zusatzschwungmasse 5 – (zunächst) nur unwesentlich ändern. D. h., die Torsionseigenfrequenzen des Verdichterstrangs 1 verbleiben trotz des – durch die Zusatzschwungmasse 5 ins System „Verdichterstrang” eingebrachten – zusätzlichen Massenträgheitsmoments unverändert.
In der Position „Eingekuppelt” ist die Zusatzschwungmasse 5 axial derart – durch die Stifte 12 geführt – verschoben, dass ein Formschluss zwischen der Zusatzschwungmasse 5 und dem Trägerstück 8 (vgl. 4) bzw. (über das Trägerstück 8) mit der Motorwelle 9 hergestellt ist. Damit ist in dieser Position „Eingekuppelt” die Zusatzschwungmasse 5 starr an die Motorwelle 9 gekoppelt, wodurch sich hier die Steifigkeit und somit auch die Torsionseigenfrequenzen des Verdichterstrangs 1 ändern.
Die Schaltung (Positionsverschiebung 22 (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5)), d. h. das Betätigen/die Verschiebung 22 der Zusatzschwungmasse 5 von der ersten in die zweite Position, vereinfacht ausgedrückt das „Einkuppeln” der Zusatzschwungmasse 5, erfolgt pneumatisch.
Dazu ist eine feststehende, nicht mit der Motorwelle 9 rotierende Steuerluftdüse 16 vorgesehen, über welche Steuerluft 17 (Druckluft), von außen an die zu schaltende Zusatzschwungmasse 5 zuführbar ist. Die situative Zuführung der Steuerluft 17 erfolgt über ein durch die Steuereinheit 15 schaltbares Schaltventil 7 (angedeutet).
Axial zwischen der Zusatzschwungmasse 5 und der Steuerluftdüse 16 ist ein Schaltelement 18, in Form einer mit der Motorwelle 9 bzw. mit dem Trägerstück 8 fest verbundenen, mit der Motorwelle 9 mitrotierenden Scheibe angeordnet. Dieses Schaltelement 18 und die Steuerluftdüse 16 berühren sich nicht, sondern sind über einen relativ engen Spalt 25 getrennt.
Auf der dieser Steuerluftdüse 16 bzw. dem Spalt 25 axial gegenüberliegenden, anderen Seite des Schaltelements 18 sind über den Scheibenumfang mehrere, in zueinander gleicher radialer Höhe liegende Ausnehmungen 20 (Kolben-Ausnehmungen) eingearbeitet, in welche entsprechende, mit der Zusatzschwungmasse 5 einstückig verbundene, in entsprechend gleicher radialer Höhe wie die Ausnehmungen 20 liegende, kolbenähnliche Fortsätze, kurz Kolben 19, im Kolbenraum 30 axial pneumatisch verschieblich eingreifen.
In der Scheibe 18 sind – im Bereich der Ausnehmungen 20 für die Kolben 19 – über den Umfang der Scheibe 18 verteilt – dort in radialer Höhe des Luftaustritts aus der Steuerluftdüse 16 – Bohrungen 24 in die Scheibe 18 eingebracht (vgl. 3).
Diese Bohrungen 24 werden über Federkraft betätigte Kugeln 6 verschlossen. Dazu sind in den Kolben 19 – den Kugeln 6 axial gegenüberliegend – Bohrungen 26 (in Kolben 19) eingebracht, in welchen Federn 21 – einerseits anliegend an den Kugeln 6, anderseits abstützend im Bohrungsgrund der Bohrungen 26 – aufgenommen sind.
Durch die Bohrungen 24 in der Scheibe 18 gelangt durch die Rotation immer wieder die aus der Steuerluftdüse 16 austretende Steuerluft 17 in den Bereich vor den Kugeln 6, wodurch diese entgegen der Federkraft der Federn 21 axial aus den Bohrungen 10 gedrückt werden – und Steuerluft 17 in den Zwischenraum zwischen der Scheibe 18 bzw. den dortigen Ausnehmungen 20 und den Kolben 19 gelangt.
Hierdurch wird ein Druck auf die Kolben 19 aufgebaut, welcher die Kolben 19 und damit die Zusatzschwungmasse 5 entgegen der Federkraft der Federn 11 axial verschiebt.
4 zeigt schematisch vereinfacht einen Ausschnitt aus dem Verdichterstrang 1 mit der Motorwelle 9 und der Zusatzschwungmasse 5, welcher die Verschiebung/Schaltung 22 der Zusatzschwungmasse 5 zwischen den beiden Positionen, „Ausgekuppelt” und „Eingekuppelt” verdeutlicht.
Durch eine oder mehrere trapezförmige Nuten 27 in der Trägerscheibe 8, die in ein entsprechendes Gegenprofil 28 in der Zusatzschwungmasse 5 eingreifen, wird im eingekuppelten Betrieb bzw. in der geschaltenen Position „Eingekuppelt” eine formschlüssige Verbindung zwischen der Zusatzschwungmasse 5 und dem Trägerstück 8 und damit eine hohe Steifigkeit der Verbindung erreicht. Hierdurch ändern sich die Torsionseigenfrequenzen des Verdichterstrangs 1.
Kleine Drosselbohrungen 29 in der Scheibe 1, mittels derer der Kolbenraum 30 nach außen entlüftet werden kann, dienen dem Auskuppeln der Zusatzschwungmasse 5 bzw. zum Schalten 22 der Zusatzschwungmasse 5 in die Position „Ausgekuppelt”.
Sobald die Steuerluftzufuhr – über das durch die Steuereinheit 15 schaltbare Schaltventil 7 (angedeutet) – unterbrochen ist, strömt keine Steuerluft 17 mehr an den Kugeln 6 vorbei, wenn die entsprechende, mit der Scheibe 18 „rotierende” Bohrung 24 die Steuerluftzufuhr passiert. Durch den permanenten Druckluftverlust über die Drosselbohrungen 29 sinkt der Druck auf die Kolben 19 (wieder) und die Federn 11 drücken die Zusatzschwungmasse 5 in die ausgekuppelte Position 22.
Zum Auskuppeln 22 der Zusatzschwungmasse 5 bzw. zum Schalten (Positionsverschiebung (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5)) der Zusatzschwungmasse 5 in die Position „Ausgekuppelt” ist es nicht erforderlich, ein Gegenprofil 28 der Zusatzschwungmasse 5 ganz aus der bzw. den Nuten 27 zu heben, vielmehr reicht ein geringer Hub aus, um die starre Verbindung von Zusatzschwungmasse 5 und Trägerstück 8 hinreichend „weich/lose” zu lösen. Weil die Zusatzschwungmasse 5 stets mit der gleichen mittleren Drehzahl der Motorwelle 9 mit dieser mit rotiert, ergeben sich nur Verdrehungen kleiner Amplitude.
Die Rückverstellung bzw. die Rückschaltung (Positionsverschiebung 22 (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5)) der Zusatzschwungmasse 5 erfolgt durch die Federkraft der Federn 11.
Eine „Schaltstrategie” ist im Folgenden dargelegt. Die Steuerung bzw. das Schalten (Positionsverschiebung 22 (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5)) der Zusatzschwungmasse 5 erfolgt mittels der Steuerung 15 – in der Leittechnik 52 –, in welcher Betriebsparameter der Verdichteranlage 50, wie aktuelle Wellendrehzahlen im Verdichterstrang 1, Nenndrehzahl und Nenndrehmoment des Verdichterstrangs 1, vorliegen.
Die Steuerung 15 errechnet – aus den aktuellen Betriebsparametern der Verdichteranlage 50 – (online) die aktuellen Anregungsfrequenzen des Verdichterstrangs 1 und vergleicht diese mit den – beispielsweise aus Modellrechnungen oder Versuchen – bekannten Torsionseigenfrequenzen des Verdichterstrangs 1.
Nähert sich eine aktuelle Anregungsfrequenz einer Torsionseigenfrequenz des Verdichterstrangs 1, beispielsweise auf 0,25 Hz, steuert die Steuereinheit 15 die Schaltung 22 der Zusatzschwungmasse 5. Dazu steuert bzw. betätigt die Steuereinheit 15 das Schaltventil 7 (angedeutet) der Steuerluft 17, so dass – über die Steuerluft 17 pneumatisch bewegt – die Zusatzschwungmasse (von der Position „Ausgekuppelt”) in die Position „Einkuppeln” gedrückt wird Positionsverschiebung 22 (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5).
Durch den dadurch bewirkten Formschluss der Zusatzschwungmasse 5 mit dem Trägerstück 8 ändert sich die Steifigkeit des Verdichterstrangs 1, wodurch die Torsionseigenfrequenz um einen geringen Betrag, beispielsweise um 0,55 Hz, verschoben wird.
Die Verschiebung der Torsionseigenfrequenz ist gerade so weit, dass keine unzulässig hohen (Dreh-)Schwingungsamplituden mehr möglich sind, und es ist wegen des geringen Dämpfungsgrades der Resonanzbereich auch sehr schmal, wodurch die hohen (Resonanzdreh-)Schwingungen schon bei einer geringen Änderung der Differenzfrequenz verschwinden.
Wenn sich die aktuelle Anregungsfrequenz (wieder) verschiebt und sich auf diese Weise der neuen, verschobenen Torsionseigenfrequenz unzulässig, beispeisweise wieder auf 0,25 Hz, nähert, wird über die Steuerung 15 die Kopplung wieder auf „weich/lose” geschaltet (Positionsverschiebung 22 (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5)). Die Steuerluftzufuhr wird unterbrochen – und die Zusatzschwungmasse 5 löst sich aus dem Formschluss. Die Steifigkeit des Verdichterstrangs wird (wieder) verringert – und die Torsionseigenfrequenz verschiebt sich zurück.
Ein ausreichender Abstand von aktueller Anregungsfrequenz zu der zurückverschobenen Torsionseigenfrequenz ist erneut gegeben.
Damit, d. h. über diese Steuerstrategie, vermeidet die Steuerung 15 den (stationären) Betrieb der Verdichteranlage 50 in frequenzumrichtererregten Torsionsresonanzen und beugt Bauteilversagen vor. Anders ausgedrückt, durch das (situativ) gesteuerte „Einkuppeln” und „Auskuppeln” (Positionsverschiebung 22 (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5)) der Zusatzschwungmasse 5 mittels der Steuerung 15 kann der Betriebspunkt des Verdichters 51 immer außerhalb von durch die Resonanzbedingungen der Torsionseigenfrequenzen bestimmte Sperrgebiete gehalten werden – und so bauteilschädigende Drehschwingungen vermieden werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines mit veränderlicher oder konstanter Drehzahl antreibbaren, zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz aufweisenden Antriebstrangs (1) einer Turbomaschine, bei dem der Antriebstrang mit sich verändernder oder konstanter Drehzahl angetrieben wird, wobei beim Antrieb des Antriebstrangs (1) der Antriebstrang (1) durch eine äußere Anregung mit sich verändernder Anregungsfrequenz angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Annäherung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) verändert wird.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) durch eine Änderung einer Steifigkeit des Antriebstrangs (1) geändert wird.
Verfahren nach mindestens dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des Antriebstrangs durch eine Änderung der Konfiguration im Antriebstrang (1) geändert wird, insbesondere dass die Konfiguration im Antriebstrang (1) durch ein Versteifen/Lockern einer Verbindung zwischen zwei Antriebstrangelementen oder durch ein Ankoppeln/Entkoppeln eines Antriebstrangelementes an den/von dem Antriebstrang (1) geändert wird.
Verfahren nach mindestens dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebstrang (1) mehrere solche versteifbare/lockerbare Verbindungen zwischen zwei Antriebstrangelementen und/oder mehrere solche ankoppelbare/entkoppelbare Antriebstrangelemente aufweist.
Verfahren nach mindestens einem von den zwei voranstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebstrangelement eine Zusatzschwungmasse (5), insbesondere eine ringförmige Masse aus Stahl, ist und/oder dass das Versteifen/Lockern und/oder das Ankoppeln/Entkoppeln unter Verwendung einer, insbesondere pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch schaltbaren, Kupplung erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung des Antriebstrangs (1) an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) durch einen Vergleich der Anregungsfrequenz mit der zumindest einen Torsionseigenfrequenz ermittelt wird, insbesondere wobei die Annäherung dann festgestellt ist, wenn bei dem Vergleich der Anregungsfrequenz mit der zumindest einen Torsionseigenfrequenz ein vorgebbarer Grenzwert unterschritten ist.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung des Antriebstrangs (1) an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) durch Ermittlung einer dynamischen Torsionsbelastung im Antriebstrang (1) ermittelt wird, insbesondere wobei die Annäherung dann festgestellt ist, wenn ein die ermittelte dynamische Torsionsbelastung beschreibender Belastungswert einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn die Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung des Antriebstrangs (1) an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) festgestellt ist, die Steifigkeit des Antriebstrangs, insbesondere durch eine Änderung der Konfiguration im Antriebstrang (1), geändert wird.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsfrequenz der äußeren Anregung des Antriebstrangs (1) während des Antriebs des Antriebstrangs (1) und/oder die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) errechnet werden/wird.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebstrang (1) unter Verwendung einer Antriebseinheit (2) mit der veränderlichen oder der konstanten Drehzahl angetrieben wird, insbesondere dass der Antriebstrang (1) unter Verwendung eines frequenzumrichtergeführten Elektromotors angetrieben wird, wobei der Elektromotor unter Verwendung des Frequenzumrichters (3) zur Veränderung der Drehzahl und/oder zu einer Kompensation von Schwankungen einer Netzfrequenz gesteuert wird.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebstrang (1) mehrere konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenzen aufweist, wobei bei der Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung an eine von den mehreren Torsionseigenfrequenzen diese Torsionseigenfrequenz verändert wird.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, eingesetzt zur Vermeidung von Drehschwingungen bei einem Turboverdichter, insbesondere einem Ein-Wellen-Turboverdichter oder einem Getriebeturboverdichter.
Anordnung mit einem mit veränderlicher oder konstanter Drehzahl antreibbaren, zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz aufweisenden Antriebstrang (1) einer Turbomaschine, der beim Antrieb durch eine äußere Anregung mit sich verändernder Anregungsfrequenz anregbar ist, gekennzeichnet durch – ein schaltbares, die zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) änderndes Antriebstrangelement, – eine Steuerungseinheit (15), die derart eingerichtet, dass – eine Annäherung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) ermittelbar ist und – wenn die Annährung der Anregungsfrequenz der äußeren Anregung an die zumindest eine Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) ermittelt ist, die Schaltung des Antriebstrangelements zur Veränderung der zumindest einen Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs (1) steuert.
Anordnung nach mindestens einem der voranstehenden Anordnungsansprüche, gekennzeichnet durch eine das Antriebstrangelement (5) schaltbare, insbesondere pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch schaltbare, durch die Steuereinheit (15) gesteuerte Kupplung.
Anordnung nach mindestens einem der voranstehenden Anordnungsansprüche, gekennzeichnet durch eine den Antriebstrang (1) mit der veränderlicher oder der konstanten Drehzahl antreibbare, frequenzumrichtergeführte Antriebseinheit (2) und einen die Antriebseinheit (2) führenden Frequenzumrichter (3).