DE102012219854B3

DE102012219854B3 - Avoidance of torsional vibrations in turbomachinery

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.The invention relates to a drivable with variable or constant speed, at least one configurational Torsionseigenfrequenz having drivetrain (1) of a turbomachine, which is excited in the drive by an external excitation with changing excitation frequency. According to the invention, when the excitation frequency of the external excitation approaches the at least one torsional natural frequency of the drive train (1), the at least one torsional natural frequency of the drive train (1) is changed.

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.The invention relates to a method for operating a variable-speed or constant-speed driven driveline of a turbomachine having at least one configuration-specific torsional natural frequency (turbomachinery, in the following only drivetrain), in particular a compressor train in which the drivetrain is driven at a variable or constant speed. wherein when driving the drive train of the drive train is excited by an external excitation with changing excitation frequency. Furthermore, the invention relates to an arrangement with such a turbomachinery or drive train, in particular a compressor train.

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.Compressor devices are used in various industries for various applications involving compression or compression of fluids, particularly (process) gases.

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.Well-known examples of this are turbo compressors in mobile industrial applications, such as in exhaust gas turbochargers or in jet engines, or in stationary industrial applications, such as gearbox or turbo compressors for chemical or petrochemical plants, for example for air separation or natural gas liquefaction.

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.In such - in its operation continuously working - turbo compressor, the pressure increase (compression) of the fluid is effected by an angular momentum of the fluid from entry to exit by a rotating radially extending blades having impeller of the turbo compressor is increased by the rotation of the blades , D here. H. In such a compressor stage, pressure and temperature of the fluid increase while the relative (flow) velocity of the fluid in the impeller or turbocharger wheel decreases.

Um eine möglichst hohe Druckerhöhung bzw. Verdichtung des Fluids zu erreichen, können mehrere solcher Verdichterstufen hintereinander geschaltet werden.In order to achieve the highest possible pressure increase or compression of the fluid, a plurality of such compressor stages can be connected in series.

Als bekannte Bauformen von Turboverdichtern unterscheidet man zwischen Radial-, Axial- und kombinierten Axial-Radialverdichtern bzw. zwischen Ein-Wellen- und Getriebeverdichtern.As known types of turbocompressors, a distinction is made between radial, axial and combined axial-radial compressors or between single-shaft and transmission compressors.

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.In the axial compressor, the fluid to be compressed, for example a process gas, flows in a direction parallel to the axis (axial direction) through the compressor. In the radial compressor, the gas flows axially into the impeller of the compressor stage and is then deflected outwards (radially, radially). With multi-stage centrifugal compressors, a flow diversion becomes necessary behind each stage.

Kombinierte Bauarten von Axial- und Radialverdichtern saugen mit ihren Axialstufen große Volumenströme an, die in den anschließenden Radialstufen auf hohe Drücke komprimiert werden.Combined types of axial and radial compressors draw large volume flows with their axial stages, which are compressed to high pressures in the subsequent radial stages.

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.While mostly single-shaft machines (single-shaft turbocompressors), in which one or more compressor stages are or are realized on one and the same shaft, are used in (multi-stage) gear turbo compressors (in the following also only gear compressor) the individual compressor stages grouped around a large gear, with a plurality of parallel (pinion) shafts, each one or two - in realized as housing structures spiral housings - recorded wheels (arranged on the free shaft ends of the pinion shafts turbochargers), of a large, mounted in the housing Drive gear, a large wheel, to be driven.

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.A drive of a compressor is generally carried out by means of a mechanically or a torque transferable coupled to the compressor drive unit, such as an (electric) motor or a turbine. Their output or output shaft is indirectly, for example, with the interposition of a transmission or a clutch, or directly, for example, by a common output / drive shaft, connected to the drive shaft of the compressor.

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.This mechanical drive / output system of the compressor, d. H. the entire mechanical, the torque transmitting chain from, for example, output shaft (-n), clutch (-en), (intermediate) transmission (-n), output shaft (-n), the compressor is doing as a compressor train - in general in turbomachinery accordingly as a machine or drive train only -. Also can or can at this compressor train - in addition to the compressor - another or more turbomachinery - with corresponding elements, such as shafts, couplings, gears u. Ä. To be connected, which should then be included with the compressor train.

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.It is known with various methods of compressor design and operation, such. As throttling, adjustment of Eingangsleitgittern or adjustment of operating speeds to produce an adjustable compressor map.

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.Compressor-driven, inverter-controlled electric motors are used to control an operating speed range of the system or compressor (power range of the system). to enable or generate the speed or compressor map.

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).In this case, a - for example, required for a required power change or increase in the compressor or compressor train - speed change in the compressor train by appropriate control of the compressor train driving electric motors by means of electronic frequency converter (hereinafter only briefly frequency converter or inverter only).

Auch werden über diese Frequenzumrichter Schwankungen bei Netzfrequenzen kompensiert.Also, these frequency converters compensate for fluctuations in line frequencies.

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.Frequency converters are also known. A frequency converter is z. Example, a power converter of an alternating current (both single-phase alternating current and three-phase alternating current) with a certain frequency generates a variable in amplitude and frequency voltage. With this converted voltage then a consumer, usually a three-phase motor, operated.

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.By a two-time conversion of an electrical current or an electrical voltage from the AC on a network side to the DC within the inverter and finally to an AC on the side of the electric motor and torsion-exciting frequency components are generated in addition to a supply frequency of the electric motor.

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.These exciting frequency components, predominantly harmonic and interharmonic excitations, can cause torsional resonances in the compressor train, i. H. in components and / or components of the mechanical drive system or in the compressor train cause.

Diese Torsionsresonanzen führen zu Schwingungen in den Bauteilen bzw. Komponenten des Verdichterstrangs, insbesondere zu Torsionsschwingungen in Wellen und/oder Radialschwingungen in Zwischengetrieben.These torsional resonances lead to vibrations in the components or components of the compressor train, in particular to torsional vibrations in waves and / or radial vibrations in intermediate gears.

Infolge solcher Torsionsschwingungen bzw. Radialschwingungen mit infolge entsprechender hohen Bauteilbelastungen kann es zu Bauteilversagen bei den Bauteilen der Verdichterstränge kommen.As a result of such torsional vibrations or radial vibrations with as a result of correspondingly high component loads can lead to component failure in the components of the compressor strands.

Ausbau und Ersatz bzw. Reparatur der beschädigten Bauteile des Verdichterstrangs sowie erforderliche Stillstandszeiten der Anlagen erzeugen hohen Kosten.Removal and replacement or repair of the damaged components of the compressor train and required downtime of the equipment generate high costs.

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.These disadvantages described here for compressor trains, d. H. Vibrational component damage and failure and thereby caused plant downtime and costs, occur in a similar manner in other turbomachinery with there at variable speed drivable, at least one configuration specific torsional own frequency having turbomachinery strands or drive trains.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, schwingungsbedingte Bauteilsbeschädigungen und -ausfälle bei Antriebssträngen von Turbomaschinen zu verhindern bzw. zu vermindern.Thus, the object of the invention is to prevent or reduce vibration-induced component damage and failures in drive trains of turbomachines.

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.The object is achieved by a method for operating a drivable with variable or constant speed, at least one configurational Torsionseigenfrequenz drive train of a turbomachine (turbomachinery, hereinafter drive train only) and by an arrangement with such a drive train with the features according to the respective independent claim.

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.This drivetrain is excited at its drehzahlveränderlichem or speed constant drive by an external excitation with changing excitation frequency or this drive train is excitable at the variable speed or speed constant drive by an external excitation with changing excitation frequency. If the external excitation of the drive train approaches a torsional natural vibration of the drive train, then a torsional resonance (resonance condition) in the drive train, i. H. in components and / or components of the mechanical drive system or in the drive train occur.

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.In the method according to the invention it is provided that - in variable speed or constant speed operation of the drive train - at an approximation of the excitation frequency of the external excitation to the at least one Torsionseigenfrequenz the drive train, the at least one Torsionseigenfrequenz the drive train is changed.

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.In simple terms, the invention "manipulated" in the case of an approach of an external excitation or operational excitation frequency of the drive train to a torsional natural frequency of the drive train. Illustratively, as the powertrain "runs" into a torsional resonance condition (at this approximation of operational excitation frequency to the torsional natural frequency), the invention shifts the torsional natural frequency (away from the operational excitation frequency) to provide a sufficient distance between the altered / manipulated torsional natural frequency the operational excitation frequency forth or the external excitation to the (changed / manipulated) resonance condition ago.

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. Accordingly, it can then also be provided that when (re) reaching a certain distance between the changed / manipulated torsion natural frequency and the operational excitation frequency, the "manipulation" is reversed again. That is, the changed / manipulated torsional natural frequency is again (re) shifted / changed to the original torsional natural frequency.

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.Thus, the invention achieves that an operating point of the drive train with there occurring external excitation of the drive train can always be kept different from a torsional resonance condition of the drive train.

Betriebszustände von Turbomaschinen, wie Verdichter, in Torsionsresonanzzuständen mit nicht-dauerhaft übertragbaren dynamischen Torsionsmomenten bzw. Drehschwingungen werden hierdurch vermieden.Operating states of turbomachinery, such as compressors, in torsional resonance states with non-permanently transferable dynamic torsional moments or torsional vibrations are thereby avoided.

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.Since torsional resonances in the drive train of turbomachinery are typically weakly damped, only a small torsional natural frequency change / shift is usually necessary to produce (again) a sufficient distance of the operating point of the turbomachine to the "changed / shifted resonance condition".

Torsionsresonanzbedingte, hohe (Dreh-)Schwingungen in den Bauteilen bzw. Komponenten des Antriebstrangs, dadurch hervorgerufene Bauteilbelastungen mit Bauteilschäden, Stillstandszeiten und Kosten werden vermindert.Torsionsresonanzbedingte, high (rotational) vibrations in the components or components of the powertrain, thereby caused component loads with component damage, downtime and costs are reduced.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist ein schaltbares, die zumindest eine konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs änderndes Antriebstrangelement sowie eine Steuerungseinheit auf.The arrangement according to the invention has a switchable drive line element which changes at least one configuration-specific torsional natural frequency of the drive train and a control unit.

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.This control unit determines an approximation of the excitation frequency of the external excitation to the at least one torsional natural frequency of the drive train and controls, if the approximation is established, the circuit of the Antriebstrangelements to change the at least one torsional natural frequency of the drive train.

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.In this case, the invention with the switchable, the at least one configurational Torsionseigenfrequenz the drive train changing drive train element an element or component of the drive train, such as a mass element, such as a flywheel, in particular an annular mass of steel, which is manipulated / switchable.

Durch diese Manipulation/Schaltung des Antriebstrangelements wird dann die konfigurationsbestimmte Torsionseigenfrequenz des Antriebstrangs beeinflusst/geändert.By this manipulation / circuit of the drive train element, the configuration-determined torsional natural frequency of the drive train is then influenced / changed.

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.Thus, for example, this Torsionseigenfrequenz - influencing / changing manipulation / circuit of Antriebstrangelements be a position and / or shape and / or shape change and / or a change in a material property of the drive strand element, which changes the configuration of the drive train.

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.In this case, a rigidity of the drive train can be changed via the manipulation / switching of the drive train element, such as the position and / or shape and / or shape and / or material property change of the drive train element, or via the configuration change of the drive train. This change in the rigidity of the powertrain then leads to the change in torsional natural frequency.

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.In simple terms, the configuration / stiffness change and torsional natural frequency variation of the powertrain caused by the switching of the powertrain element shifts the torsional natural frequency (away from the operational excitation frequency), thus establishing a sufficient distance between the altered torsional natural frequency and the operational excitation frequency.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der „Verschiebungsbetrag/wert” größer ist als zweimal eine Schaltschwelle, wodurch dann über diese hinweggeschoben werden kann.It can be provided that the "shift amount / value" is greater than twice a switching threshold, which then can be pushed over them.

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.Accordingly, it can then also be provided that when (re) reaching a certain distance between the changed / manipulated torsion natural frequency and the operational excitation frequency, the drive train element is switched back again, whereby the "manipulation" is reversed again. That is, the changed / manipulated torsional natural frequency is (re) shifted / changed back to the original torsional natural frequency.

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.Thus, the invention achieves that an operating point - especially in continuous operation - of the drive train with there occurring external excitation of the drive train can always be kept different from a torsional resonance condition of the drive train.

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.Under permanent or permanent operation / operating state can be taken for a predetermined period of time and stopped or sustained for this period (operating) State be understood. This period usually exceeds a period of one or a few seconds.

Torsionsresonanzbedingte, hohe Schwingungen in den Bauteilen bzw. Komponenten des Antriebstrangs, dadurch hervorgerufene Bauteilbelastungen mit möglichen Bauteilschäden, Stillstandszeiten und Kosten werden vermindert.Torsionsresonanzbedingte, high vibrations in the components or components of the powertrain, thereby caused component loads with possible component damage, downtime and costs are reduced.

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.A further particular advantage of the invention is that a selection of a drive unit for the drive train, such as a converter-controlled electric motor with a converter, can be made without any particular restriction.

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.Integrating the invention (fixed) in the drive concept or in the concept of a drive unit for a turbomachine, for example in a drive train with the variable or constant speed drivable, frequency converter-driven drive unit, such as an electric motor, and / or with a drive unit leading frequency inverter, so can be provided by the invention, a "universal" drive unit - regardless of a specific drive or rotor dynamics of a turbomachine.

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.D. h., By the invention can thus be provided a "universal" system that can be adapted with little effort to all possible turbomachinery and their individual drive or rotor dynamics.

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.Also, by the invention - with their only "situational", d. H. only when the external excitation is approximated to a torsional natural frequency, intervention - restrictions on the continuous operating speed range, as - resonance conditionally - (permanently) locked speed ranges / bands are avoided.

Somit sind auch die Auswirkungen bzw. Einschränkungen für den Anlagenbetrieb und auch der Leistungsmehrbedarf einer Turbomaschine ebenfalls auf ein Minimum reduziert.Thus, the effects or restrictions for the operation of the plant and also the power requirement of a turbomachine are also reduced to a minimum.

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.Also other - the resonance behavior of a turbomachine influencing factors such. As power frequency fluctuations, power-dependent resonance amplitudes or changes to the turbomachine or on the drive train, etc., can be disregarded by the invention for a "resonance-free" variable-speed operation of a turbomachine.

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.Preferred developments of the invention will become apparent from the dependent claims. The further developments relate both to the method according to the invention and to the arrangement according to the invention.

Die Erfindung und die beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert werden.The invention and the developments described can be implemented both in software and in hardware, for example using a special electrical circuit.

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.Furthermore, a realization of the invention or a further development described is possible by a computer-readable storage medium on which a computer program is stored, which carries out the invention or the development.

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.The invention and / or any further development described can also be realized by a computer program product which has a storage medium on which a computer program is stored which carries out the invention and / or the development.

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.According to a preferred development, the at least one torsional natural frequency of the drive train is changed by a change in rigidity of the drive train or in the drive train. D. h., It is the rigidity of the drive train, in particular by a change in the configuration in the drive train, changed when the approximation of the excitation frequency of the external excitation of the drive train is determined to the at least one Torsionseigenfrequenz the drive train or is.

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.The stiffness is a quantity that describes the resistance of a body to deformation by a force or a torque. The stiffness of a body determines its natural frequencies, so that the natural frequencies of the body change as the stiffness changes. The rigidity of a body depends on its material or material as well as its geometry / configuration.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung wird die Änderung der Steifigkeit des Antriebstrangs durch eine Änderung der Konfiguration im Antriebstrang realisiert.According to a preferred development, the change in the rigidity of the drive train is realized by a change in the configuration in the drive train.

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.Such a configuration change in the powertrain can be achieved by stiffening / loosening a connection between the drive train element and another drive train element, ie by stiffening / loosening a connection between two drive train elements, or by coupling / Decoupling the drive line element to be realized on / from the drive train.

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.According to a further preferred development, the drive train has a plurality of such stiffenable / loose connections between the two drive train elements and / or a plurality of such connectable / decoupled drive train elements.

Eine besonders einfache Realisierung lässt sich dadurch erreichen, wenn das Antriebstrangelement eine – an geeigneter Stelle im/am Antriebstrang anordbare – Zusatzschwungmasse ist.A particularly simple realization can be achieved if the drive train element is an additional flywheel which can be arranged at a suitable point in / on the drive train.

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.It is particularly suitable to arrange the drive train element or such additional mass on the non-drive side in / on the drive train. Since this is not always or only with difficulty possible for constructive reasons, the drive train element or such additional mass can also be arranged on the drive side in / on the drive train.

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.Bringing such an additional flywheel (additional mass moment of inertia) at a suitable point in / on the drive train, d. H. the Antriebstrangelement, only very loose, "coupled via a soft spring" coupled, so do not or hardly change the natural frequencies of the drive train. The addition of the additional flywheel new inherent form with a node near the attachment of additional flywheel in / on the drive train has a very low frequency and can be tuned so that no problems in the drive train can be expected. If now the external excitation (too much) of the at least one Torsionseigenfrequenz (or a Torsionseigenfrequenz) of the drive train approaches, the - loose, "coupled via a soft spring" - compound of additional flywheel to the drive train stiffened. In simple terms, the additional flywheel is rigidly coupled to the drive train.

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.As a result, the torsional natural frequency of the drive train is shifted, - just so far - that no inadmissibly high vibration amplitudes are possible. If the external excitation or the excitation frequency of the external excitation shifts further due to operational or drive-related reasons and thus approaches the shifted torsional natural frequency, then the connection / coupling / stiffening can be switched back to "soft", ie. H. be solved so that again sufficient distance between external excitation and Torsionseigenfrequenz is given.

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.The stiffening / loosening of the connection and / or the coupling / decoupling of the drive strand element can / can be done using a, in particular pneumatically, hydraulically or electromagnetically switchable, coupling. Thus, according to a preferred development, it can be provided that the drive train has a clutch which can be switched, in particular pneumatically, hydraulically or electromagnetically switchable, by the control unit and which can be switched by the control unit.

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.If, for example, an electromagnetic clutch is used, its magnetic force produces a frictional connection between the surface of the drive train element and the other drive train element, whereby the drive train element is rigidly coupled to the drive train and the torsional natural frequency is shifted.

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.An electric supply of magnetic coils used for this purpose can be done via a rotating coil set, which forms an armature of an alternator - coaxially on a shaft in the drive train. By switching an external, stationary excitation winding, the connection of the drive strand element can be controlled without contact.

Auch können Bürsten verwendet werden, über die die notwendige elektrische Versorgung für eine solche elektromagnetische Kupplung aufgebracht werden kann.It is also possible to use brushes via which the necessary electrical supply for such an electromagnetic coupling can be applied.

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.According to a preferred development, it is also provided that the approximation of the excitation frequency of the external excitation of the drive train to the at least one torsional natural frequency of the drive train is determined by comparing the excitation frequency with the at least one torsional natural frequency.

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.In this case, in particular, the approximation can be established when a predefinable limit value has been undershot during the comparison of the excitation frequency with the at least one torsional natural frequency. The control unit can then give a control command "switching" or "engaging" to the circuit of the Antriebstrangelements, which then - when switching the Antriebstrangelements - the at least one Torsionseigenfrequenz the drive train is changed or moved.

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.In this case, the excitation frequency of the external excitation of the drive train, in particular during the drive of the drive train, ie online, can be calculated. Also the at least one torsional natural frequency of the drive train - as may be further torsional natural frequencies of the drive train can be calculated.

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.Also, the approximation of the excitation frequency of the external excitation of the drive train to the at least one torsional natural frequency of the drive train can be determined by determining a dynamic torsional load in the drive train.

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.This is based on the fact that when approaching the excitation frequency of the external excitation of the drive train to the at least one torsional natural frequency of the drive train, the drive train "runs" into a torsional resonance condition, which leads to increasing torsional loads or torsional vibrations in the drive train.

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.For this purpose, in particular in the context of an online or permanent (state) monitoring of the drive train, a load variable representing the dynamic torsional load in the drive train, i. H. a load value, such as in particular a dynamic torsional moment in the drive train or an alternating component of a torsional stress in the drive train, a dynamic shaft speed in the drive train, a dynamic relative vibration in the drive train or a dynamic torque-generating current of a drive unit of the drive train, are determined or measured.

Die Annäherung kann dann festgestellt sein, wenn der die ermittelte dynamische Torsionsbelastung beschreibende Belastungswert einen vorgebbaren Grenzwert, üblicherweise eine Maximalbelastung bzw. einen Maximalwert, überschreitet.The approach can be established when the load value describing the determined dynamic torsional load exceeds a predefinable limit value, usually a maximum load or a maximum value.

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”.If, as in the case of a torsional resonance condition in the drive train, the value of the maximum load or the maximum value should be exceeded if the limit value is set appropriately, the torsional natural frequency can be changed or the drive train element can be switched, for example, coupled. The torsional resonance is "resolved" by shifting the torsional natural frequency.

Auch kann vorgesehen sein, dass der „Verschiebungsbetrag/wert” größer ist als zweimal eine Schaltschwelle, wodurch dann über diese hinweggeschoben werden kann.It can also be provided that the "shift amount / value" is greater than twice a switching threshold, which then can be pushed over them.

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.The dynamic torsional moment is preferably measured in the drive train or on a component, in particular on a shaft or a coupling, of the drive train. Torsion measurements on shafts or couplings are easy and inexpensive to implement.

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.Particularly preferably, the measurement of the dynamic torsional moment by means of the DMS technology. This strain gage technology has been tried and tested, especially for dynamic loads, mature, reliable and easy to implement and cost-effective.

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.In particular, strain gauges can be applied to a shaft or coupling of the drive train, by means of which the torsion, d. H. In general, the load value, and thus the dynamic torsional load in the drive train is measurable. A coupling is therefore particularly suitable because there is the location of the highest rotation in the drive train.

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.As the load value, the dynamic shaft speed in the compressor train, the dynamic relative shaft vibration in the compressor train or the dynamic torque-generating current of the drive unit can be used. These sizes also reflect the dynamic torsional load in the compressor train very well.

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.In order to realize a variable-speed operation of the drive train, a drive unit driving the drive train at a variable speed can be provided. Preferably, a frequency-converter-guided electric motor can be provided here, wherein the electric motor is controlled using the frequency converter to change the rotational speed and / or to compensate for a mains frequency.

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.The drive train usually has a plurality of configuration-specific torsional natural frequencies. Here it can then be provided that when the excitation frequency of the external excitation approaches one of the several torsional natural frequencies, at least this one torsional natural frequency of the drive train is changed.

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.According to a preferred development, a turbocompressor, in particular a single-shaft turbocompressor or a gear turbo compressor, the invention or the inventive arrangement, d. H. the drive train, the switchable drive train element and the control unit, on, so that can be controlled by the invention then the turbo compressor or the operation of the turbocompressor according to the invention while avoiding a continuous operation in the torsional resonance or otherwise occurring there torsional vibrations.

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.The invention can also be used in a large-scale plant, in particular in a chemical or petrochemical plant, such as a plant for air separation or a plant to a (natural gas) liquefaction, which then has the compressor line.

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.The previously given description of advantageous embodiments of the invention contains numerous features, which are given in the individual subclaims partially summarized in several. However, those features will suitably be considered individually by one skilled in the art and summarize to meaningful further combinations.

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 particular, these features can be combined individually and in any suitable combination with the inventive method, the arrangement and / or the compressor train according to the respective independent claim.

In Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im Weiteren näher erläutert wird.In figures, an embodiment of the invention is shown, which will be explained in more detail below.

Es zeigenShow it

1 eine schematische Darstellung einer Verdichteranlage mit einem mittels eines umrichtergeführten Elektromotors angetriebenen Verdichterstrang gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 a schematic representation of a compressor unit with a driven by a converter-driven electric motor compressor train according to an embodiment;

2 einen Ausschnitt aus einem Verdichterstrang einer Verdichteranlage mit schaltbarer Zusatzschwungmasse am Verdichterstrang gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 a detail of a compressor train of a compressor system with switchable additional flywheel mass on the compressor according to an embodiment;

3 einen Ausschnitt aus einem Verdichterstrang einer Verdichteranlage mit schaltbarer Zusatzschwungmasse am Verdichterstrang gemäß dem Ausführungsbeispiel; 3 a section of a compressor train of a compressor system with switchable additional flywheel mass on the compressor according to the embodiment;

4 einen Ausschnitt aus einem Verdichterstrang einer Verdichteranlage mit schaltbarer Zusatzschwungmasse am Verdichterstrang gemäß dem Ausführungsbeispiel. 4 a detail of a compressor train of a compressor system with switchable additional flywheel mass on the compressor according to the embodiment.

Ausführungsbeispiel: Vermeidung von Drehschwingungen bzw. frequenzumrichtererregten Torsionsresonanzen an Antriebssträngen von Turbomaschinen durch veränderbare EigenfrequenzenEmbodiment: Avoidance of torsional vibrations or frequency converter excited torsional resonances on drive trains of turbomachinery by variable natural frequencies

1 zeigt – schematisch – eine Verdichteranlage 50, beispielsweise zu einer Ergasverflüssigung, mit einem Verdichterstrang 1 mit einem Ein-Wellen-Turboverdichter, kurz nur Verdichter 51. 1 shows - schematically - a compressor unit 50 , For example, to a natural gas liquefaction, with a compressor train 1 with a single-shaft turbocompressor, in short just compressors 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.At the compressor train 1 comes in - this compressor train 1 variable speed drive - inverter driven drive unit 2 (Electric motor) used to an operating speed range of the compressor system 50 or of the compressor 51 to enable.

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.This is done - for example, for a required change in performance or increase in the compressor 51 or compressor line 1 required - speed change in the compressor train 1 by appropriate control of the compressor train 1 driving drive unit 2 (Electric motor) by means of an electronic frequency converter 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.By converting an electric current from an alternating current to a net side twice 13 , to a DC within the electronic frequency converter 3 and finally to an AC on an electric motor side 14 the drive unit 2 (Electric motor) are in addition to a feed frequency of the drive unit 2 (Electric motor) and torsion-stimulating frequency components, generally excitation frequencies of an external excitation of the compressor train 1 , generated.

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.These stimulating frequency components, predominantly harmonic and interharmonic suggestions, or this external excitation of the compressor train 1 may interfere with the configuration-related torsional natural frequencies of the compressor train 1 Torsion resonances (resonance condition) in the compressor train 1 ie in components 4 (Shaft, clutch, output / drive shaft) of the mechanical drive system or in the compressor train 1 , such as shafts or couplings u. Ä., cause.

Diese Torsionsresonanzen führen zu Schwingungen und Belastungen in den Bauteilen 4 des Verdichterstrangs 1 und können zu Bauteilversagen im Verdichterstrang 1 führen.These torsional resonances lead to vibrations and loads in the components 4 of the compressor line 1 and can cause component failure in the compressor train 1 to lead.

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.To ensure safe operation of the compressor train 1 , ie to ensure a steady state operation (continuous operation) outside the torsional resonances, sees the compressor unit 50 one - controlled by a control unit 15 - switchable, drive side on the motor shaft 9 of the electric motor 2 arranged additional flywheel 5 before (cf. 2 - 4 ) to - situational - the torsion natural frequencies - in the case of an approach of an external excitation to a torsion natural frequency of the compressor train 1 - to change.

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.A control unit 15 is part of a control technology 52 the compressor system 50 over which the compressor unit 50 is operated during operation, and also switches the additional flywheel 5 ,

Die 2–4 zeigen Ausschnitte aus dem Verdichterstrang 1 mit der an der Motorwelle 9 angeordneten, schaltbaren Zusatzschwungmasse 5.The 2 - 4 show sections of the compressor train 1 with the on the motor shaft 9 arranged, switchable additional flywheel 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.The - with the motor shaft 9 co-rotating - additional flywheel 5 , A cylindrical or annular steel body, is axially, ie in the longitudinal direction of the motor shaft 9 , pneumatically between two shift positions, "Disengaged" (first shift position, see 2 and 3 ) and "engaged" (second switching position, see 4 during operation of the compressor 51 , ie during co-rotation with the motor shaft 9 ) displaceable.

Dazu ist ein scheibenförmiges Trägerstück 8 fest – und damit mit der Motorwelle 9 mitrotierend – mit der Motorwelle 9 verbunden, beispielsweise zwischengeflanscht. This is a disc-shaped support piece 8th firmly - and thus with the motor shaft 9 co-rotating - with the motor shaft 9 connected, for example, flanged.

Über den Umfang des Trägerstücks 8 verteilt sind Bohrungen 10 im Trägerstück 8 eingebracht, in welche Stifte 12 verpresst sind.About the circumference of the support piece 8th are distributed holes 10 in the carrier piece 8th inserted into which pins 12 are pressed.

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.About these pins 12 is the additional flywheel 5 with the carrier piece 8th connected - and rotated in the compound of motor shaft 9 , Carrier piece 8th and additional flywheel 5 with the motor shaft 9 With.

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.The additional flywheel 5 points to - according to these holes 10 in the carrier piece 8th - Also distributed over the circumference holes 23 (in additional flywheel mass 5 ) in which the pins 12 - In changeable by the circuit depth - sit with a clearance, creating an axial and to a lesser extent also rotational displacement of the additional flywheel 5 - relative to the motor shaft 9 or to the carrier piece 8th - is possible.

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).About on the pins 12 deferred springs 11 be like 2 and 3 show the additional flywheel 5 and the carrier piece 8th - in the position "disengaged" - pressed apart relative to each other (position shift 22 (Engaging / disengaging additional flywheel mass 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.By the length and the diameter or the clearance of the pins 12 For example, a stiffness may be determined which is a composite "flywheel mass wave" at a relative rotation between the flywheel mass 5 and a wave 9 (Motor shaft) has.

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.About a - about the circuit or position change (position shift 22 (Engaging / disengaging additional flywheel mass 5 )) from the first to the second switching position of the additional flywheel 5 (switchable) further variable - stiffness of the compressor train 1 is influenced on the torsion natural frequencies of the compressor train 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.The length and the clearance of the pins 12 are dimensioned such that in the position "disengaged" a sufficiently soft or loose connection of additional flywheel 5 to the motor shaft 9 is realized, whereby the natural frequencies of the system "compressor train" - in comparison to the compressor train 1 without the additional flywheel 5 - (initially) change only insignificantly. That is, the torsional natural frequencies of the compressor train 1 remain despite the - by the additional flywheel 5 added to the system "compressor train" - additional moment of inertia unchanged.

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.In the position "engaged" is the additional flywheel 5 axially such - by the pins 12 led - postponed that a positive connection between the additional flywheel 5 and the carrier piece 8th (see. 4 ) or (via the carrier piece 8th ) with the motor shaft 9 is made. Thus, in this position "Engaged" the additional flywheel 5 rigidly to the motor shaft 9 coupled, whereby here the stiffness and thus also the torsional natural frequencies of the compressor train 1 to change.

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.The circuit (position shift 22 (Engaging / disengaging additional flywheel mass 5 )), ie the actuation / the displacement 22 the additional flywheel 5 from the first to the second position, in simple terms, the "engagement" of additional flywheel mass 5 , pneumatic.

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).This is a fixed, not with the motor shaft 9 rotating control air nozzle 16 provided, over which control air 17 (Compressed air), from outside to the additional flywheel to be switched 5 can be fed. The situative supply of the control air 17 via a through the control unit 15 switchable switching valve 7 (Indicated).

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.Axially between the additional flywheel 5 and the control air nozzle 16 is a switching element 18 , in the form of one with the motor shaft 9 or with the carrier piece 8th firmly connected, with the motor shaft 9 co-rotating disc arranged. This switching element 18 and the control air nozzle 16 do not touch, but are over a relatively narrow gap 25 separated.

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.On the this control air nozzle 16 or the gap 25 axially opposite, the other side of the switching element 18 are over the disc circumference several, lying in mutually equal radial height recesses 20 (Piston recesses) incorporated, in which appropriate, with the additional flywheel 5 integrally connected, in accordance with the same radial height as the recesses 20 lying, piston-like processes, in short pistons 19 , in the piston chamber 30 intervene axially pneumatically displaceable.

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).In the disk 18 are - in the area of recesses 20 for the pistons 19 - over the circumference of the disc 18 distributed - there in the radial height of the air outlet from the Steuerluftdüse 16 - Drilling 24 in the disk 18 introduced (cf. 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.These holes 24 are spring operated balls 6 locked. These are in the pistons 19 - the balls 6 axially opposite - holes 26 (in pistons 19 ), in which springs 21 - on the one hand adjacent to the balls 6 , on the other hand supporting in the bottom of the holes 26 - are recorded.

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. Through the holes 24 in the disk 18 through the rotation keeps coming out of the control air nozzle 16 exiting control air 17 in the area in front of the balls 6 , whereby this counter to the spring force of the springs 21 axially out of the holes 10 be pressed - and control air 17 in the space between the disc 18 or the recesses there 20 and the piston 19 arrives.

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.This will put pressure on the pistons 19 constructed, which the pistons 19 and thus the additional flywheel 5 against the spring force of the springs 11 moves axially.

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. 4 schematically shows a simplified section of the compressor train 1 with the motor shaft 9 and the additional flywheel 5 which the shift / circuit 22 the additional flywheel 5 between the two positions, "Disengaged" and "Engaged".

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.By one or more trapezoidal grooves 27 in the carrier disk 8th that in a corresponding counter profile 28 in the additional flywheel 5 engage, is in the engaged operation or in the switched position "engaged" a positive connection between the additional flywheel 5 and the carrier piece 8th and thus achieves a high rigidity of the connection. As a result, the Torsionseigenfrequenzen the compressor train change 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”.Small throttle holes 29 in the disk 1 , by means of which the piston chamber 30 can be vented to the outside, serve to disengage the additional flywheel 5 or for switching 22 the additional flywheel 5 in the position "disengaged".

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.Once the control air supply - via the through the control unit 15 switchable switching valve 7 (indicated) - is interrupted, no control air flows 17 more on the balls 6 past, if the appropriate, with the disc 18 "Rotating" bore 24 the control air supply happens. Due to the permanent loss of compressed air via the throttle bores 29 the pressure on the pistons drops 19 (again) and the springs 11 press the additional flywheel 5 in the disengaged 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.To disengage 22 the additional flywheel 5 or for switching (position shift (engagement / disengagement of additional flywheel mass 5 )) of the additional flywheel 5 in the position "disengaged" it is not necessary to have a counter profile 28 the additional flywheel 5 completely out of the groove (s) 27 to lift, but rather a small stroke is sufficient to the rigid connection of additional flywheel 5 and carrier piece 8th sufficiently "soft / loose" to solve. Because the additional flywheel 5 always with the same average speed of the motor shaft 9 rotated with this, resulting in only small-amplitude twists.

Die Rückverstellung bzw. die Rückschaltung (Positionsverschiebung 22 (Ein-/Auskuppeln von Zusatzschwungmasse 5)) der Zusatzschwungmasse 5 erfolgt durch die Federkraft der Federn 11.The return adjustment or the downshift (position shift 22 (Engaging / disengaging additional flywheel mass 5 )) of the additional flywheel 5 is done by the spring force of the springs 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.A "shift strategy" is set forth below. The control or the switching (position shift 22 (Engaging / disengaging additional flywheel mass 5 )) of the additional flywheel 5 done by means of the controller 15 - in control technology 52 - in which operating parameters of the compressor system 50 , such as current shaft speeds in the compressor train 1 , Rated speed and rated torque of the compressor train 1 , present.

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.The control 15 calculated - from the current operating parameters of the compressor system 50 - (online) the current excitation frequencies of the compressor train 1 and compares these with the - known for example from model calculations or experiments - torsional natural frequencies of the compressor train 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).Approaches a current excitation frequency of a torsion natural frequency of the compressor train 1 , for example at 0.25 Hz, controls the control unit 15 the circuit 22 the additional flywheel 5 , For this purpose controls or actuates the control unit 15 the switching valve 7 (indicated) the control air 17 , so that - over the control air 17 pneumatically moved - the additional flywheel (from the "disengaged" position) is pressed into the "engage" position. Position shift 22 (Engaging / disengaging additional flywheel mass 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.Due to the resulting positive locking of additional flywheel 5 with the carrier piece 8th the stiffness of the compressor train changes 1 , whereby the torsion natural frequency is shifted by a small amount, for example by 0.55 Hz.

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.The shift of the torsional natural frequency is just so far that no inadmissibly high (rotational) oscillation amplitudes are possible, and it is because of the low degree of damping of the resonance range is also very narrow, causing the high (resonance) oscillations even with a small change in the difference frequency disappear.

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.When the current excitation frequency shifts (again) and in this way approaches the new, shifted natural torsional frequency inadmissibly, in some cases back to 0.25 Hz, control is used 15 the coupling switched back to "soft / loose" (position shift 22 (Engaging / disengaging additional flywheel mass 5 )). The control air supply is interrupted - and the additional flywheel mass 5 dissolves from the positive connection. The stiffness of the compressor train is reduced (again) - and the torsional natural frequency shifts back.

Ein ausreichender Abstand von aktueller Anregungsfrequenz zu der zurückverschobenen Torsionseigenfrequenz ist erneut gegeben.A sufficient distance from the current excitation frequency to the shifted-back torsional natural frequency is given again.

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.With this, ie via this control strategy, avoids the control 15 the (stationary) operation of the compressor system 50 in frequency converter excited torsional resonances and prevents component failure. In other words, by the (situationally) controlled "engagement" and "disengagement" (position shift 22 (Engaging / disengaging additional flywheel mass 5 )) of the additional flywheel 5 by means of the controller 15 can be the operating point of the compressor 51 always be kept outside of certain restricted areas by the resonance conditions of the torsional natural frequencies - and so component damaging torsional vibrations are avoided.

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.Method for operating a drive train which can be driven with a variable or constant speed and has at least one configuration-specific torsional natural frequency ( 1 ) of a turbomachine, in which the drive train is driven at a variable or constant speed, wherein when driving the drive train ( 1 ) the drive train ( 1 ) is excited by an external excitation with a changing excitation frequency, characterized in that when the excitation frequency of the external excitation approaches the at least one torsional natural frequency of the drive train ( 1 ) the at least one torsion natural frequency of the drive train ( 1 ) is changed.

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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one torsional natural frequency of the drive train ( 1 ) by a change in the rigidity of the drive train ( 1 ) will be changed.

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.Method according to at least the preceding claim, characterized in that the rigidity of the drive train by changing the configuration in the drive train ( 1 ), in particular that the configuration in the drive train ( 1 by stiffening / loosening a connection between two drive line elements or by coupling / decoupling a drive line element to / from the drive line (FIG. 1 ) will be changed.

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.Method according to at least the preceding claim, characterized in that the drive train ( 1 ) has a plurality of such stiffenable / loose connections between two drive line elements and / or a plurality of such coupled / disconnectable drive line elements.

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.Method according to at least one of the two preceding claims, characterized in that the drive train element an additional flywheel ( 5 ), in particular an annular mass of steel, and / or that the stiffening / loosening and / or the coupling / decoupling takes place using a, in particular pneumatically, hydraulically or electromagnetically switchable, coupling.

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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the approximation of the excitation frequency of the external excitation of the drive train ( 1 ) to the at least one torsion natural frequency of the drive train ( 1 ) is determined by a comparison of the excitation frequency with the at least one torsional natural frequency, in particular wherein the approximation is determined when, during the comparison of the excitation frequency with the at least one torsional natural frequency, a predeterminable limit value is undershot.

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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the approximation of the excitation frequency of the external excitation of the drive train ( 1 ) to the at least one torsion natural frequency of the drive train ( 1 ) by determining a dynamic torsional load in the drive train ( 1 ), in particular wherein the approach is determined when a load value describing the determined dynamic torsional load exceeds a predefinable limit value.

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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that when the approximation of the excitation frequency of the external excitation of the drive train ( 1 ) to the at least one torsion natural frequency of the drive train ( 1 ), the rigidity of the drive train, in particular by a change in the configuration in the drive train ( 1 ), will be changed.

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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the excitation frequency of the external excitation of the drive train ( 1 ) during drive of the drive train ( 1 ) and / or the at least one torsional natural frequency of the drive train ( 1 ) is / will be calculated.

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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized that the drive train ( 1 ) using a drive unit ( 2 ) is driven at the variable or constant speed, in particular that the drive train ( 1 ) is driven using a frequency converter-controlled electric motor, wherein the electric motor using the frequency converter ( 3 ) is controlled to change the speed and / or to compensate for fluctuations in a mains frequency.

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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the drive train ( 1 ) has a plurality of configurational torsional natural frequencies, wherein as the excitation frequency of the external excitation approaches one of the plurality of torsional natural frequencies, that torsional natural frequency is changed.

Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, eingesetzt zur Vermeidung von Drehschwingungen bei einem Turboverdichter, insbesondere einem Ein-Wellen-Turboverdichter oder einem Getriebeturboverdichter.Method according to at least one of the preceding claims, used to prevent torsional vibrations in a turbocompressor, in particular a single-shaft turbocompressor or a 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.Arrangement with a drive train which can be driven with a variable or constant speed and has at least one configuration-specific torsional natural frequency ( 1 ) of a turbomachine, which can be excited during driving by an external excitation with a changing excitation frequency, characterized by - a switchable, the at least one configuration-specific torsional natural frequency of the drive train ( 1 ) changing drive line element, - a control unit ( 15 ) arranged such that - an approximation of the excitation frequency of the external excitation to the at least one torsional natural frequency of the drive train ( 1 ) can be determined and - if the approximation of the excitation frequency of the external excitation to the at least one torsional natural frequency of the drive train ( 1 ) is determined, the circuit of the drive train element for changing the at least one torsional natural frequency of the drive train ( 1 ) controls.

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.Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized by a drive train ( 5 ) switchable, in particular pneumatically, hydraulically or electromagnetically switchable, by the control unit ( 15 ) controlled clutch.

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).Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized by a drive train ( 1 ) with the variable or constant speed drivable, frequency converter-driven drive unit ( 2 ) and one the drive unit ( 2 ) leading frequency inverter ( 3 ).