DE3817777C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Prüfen des strukturellen Zustandes einer innerhalb eines Gehäuses aufgehängten Welle mit Laufrad gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US 43 80 172 bekannt. Dort wird bei einem Turbinenrotor, der fehlerbehaftet sein kann, im normalen Betrieb ein Schwingungsmuster ermittelt und analysiert. Dann werden die Umgebungsbedingungen des Turbinenrotors geändert (gestört), indem beispielsweise die Temperatur des Arbeitsmittels geändert wird, und es wird wiederum ein Schwingungsmuster ermittelt. Die beiden Schwingungsmuster werden dann verglichen, um beispielsweise das Vorhandensein und die Größe eines Risses zu ermitteln.

Es ist ferner aus der DE-OS 29 36 916 bekannt, ein Prüfteil und ein Normteil zum Feststellen von Materialfehlern des Prüfteils gleichzeitig einer gleichartigen Schwingungsprüfung zu unterwerfen. Das Prüfteil kann ein Stator sein.

Aus der EP-A 1-91 037 ist eine Einrichtung zum Prüfen der Isolierung von Wicklungen elektrischer Maschinen bekannt, mit der ein Schwingungsmuster einer möglicherweise fehlerbehafteten Wicklung mit einem Schwingungsmuster von einer fehlerfreien Wicklung verglichen wird, das in einem Datenspeicher gespeichert ist. Die Schwingungen können mit einem Hammer angestoßen werden.

Aus dem Buch "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" von J. und H. Krautkrämer, 5. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 1986, Seiten 366, 598, 599, ist bekannt, bei der Werkstoffprüfung mit Ultraschall zum Vergleich die Anzeige eines Testfehlers zu benutzen, nämlich eines künstlich hergestellten Fehlers in einem fehlerfreien Bauteil des gleichen Materials und der gleichen Herstellungsart. Dabei soll der Testfehler möglichst einfach sein.

Die Inspektion der Welle und des Laufrads einer Pumpe oder einer Turbine, die in einem Gehäuse angeordnet sind, ist manchmal erforderlich, entweder weil Defekte einer bekannten Klasse vermutet werden oder statt dessen weil die routinemäßige Wartung solche Tests verlangt. Ein Beispiel ist eine Kernreaktorkühlmittelpumpe. Wenn bei einer Kernreaktorkühlmittelpumpe einer bekannten Klasse eine Störung zwischen dem Laufrad und der Welle auftritt, weil sich die Schrauben lockern, mit denen das Laufrad an der Welle befestigt ist, ist es häufig erforderlich, daß alle anderen Pumpen derselben Klasse auf denselben Defekt untersucht werden.

Inspektionen von so großen Pumpen sind alles andere als trivial. Erstens, die Wellen, Laufräder und Gehäuse sind radioaktiv. Zweitens, das Gehäuse, die Laufräder und die Wellen sind groß. Das Demontieren von solchen Pumpen und der Zugang zu ihnen stellen ein überwiegend mechanisches Problem dar. Inspektion und Reparatur müssen in abgeschirmten Containern, wie beispielsweise einem Dekontaminiergefäß, erfolgen und erfordern die Verwendung von fernbetätigter Ausrüstung. Der Wiederzusammenbau ist zeitraubend, muß sorgfältig erfolgen und ist nicht gefahrlos, beispielsweise kann es vorkommen, daß die wieder zusammengebaute Pumpe nicht richtig arbeitet. Schließlich ist die sich während der Inspektion ergebende Anlagenstillstandszeit übermäßig teuer.

In derartigen Fällen bestand bisher das einzige akzeptierte Prüfverfahren darin, die Pumpe zu zerlegen, direkten Zugang zu der Welle und dem Laufrad zu gewinnen und anschließend wenigstens direkt die Laufrad- und Wellenverbindungen zu inspizieren und/oder zu testen. Nach einer solchen Inspektion und/oder einem solchen Test war das Wiederzusammenbauen erforderlich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Welle genau, quantitativ und bezüglich eines zunächst nur angenommenen speziellen Fehlers geprüft werden kann, um die Fehlermöglichkeit zu bestätigen oder zu verneinen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich die komplexen Umstände auf einfache Verhältnisse reduzieren lassen. Es wurde nämlich gefunden, daß Pumpen und Turbinen, welche Wellen und daran befestigte Laufräder in Gehäusen haben, in der Lage sind, bei eingeprägter Schwingung innerhalb des Gehäuses genau so in Resonanz zu schwingen wie das Modell der Welle und der daran befestigten Laufräder, die bei eingeprägter Schwingung in Resonanz schwingen, wenn sie frei von den Gehäusen aufgehängt sind. Das Aufhängen einer tatsächlichen Welle und eines Laufrads oder Rotors in dem Gehäuse erfordert nur im wesentlichen dieselben Randbedingungen der Aufhängung des Modells der Welle und des Laufrads oder Rotors frei von dem Gehäuse. Die sich ergebenden Schwingungen des Modells und der Prototyp können benutzt werden, um besondere Defekte vorherzusagen.

Bei der Durchführung des Verfahrens wird das Modell der Welle mit dem Laufrad, beispielsweise ein Ersatzteil, aufgehängt, um die Randbedingungen in dem Gehäuse zu simulieren, und dann in Schwingung versetzt. Das Anregen der Schwingung oder des "metallischen Klangs" erfolgt über ein normalerweise freiliegendes Ende der Welle entfernt von den vermuteten Defekten. Eine Kappe kann benutzt werden, um die Welle mit dem Laufrad oder Rotor aufzuhängen. Das entfernte Ende der Welle wird, manchmal an der Kappe, mit einem instrumentierten Hammerschlag in Schwingung versetzt, und der Impuls wird gemessen. Die Messung und die Auflösung der sich ergebenden Schwingungen und die Energie verbrauchende Dämpfung erfolgen durch Befestigen von Beschleunigungsmessern an dem entfernten, normalerweise freiliegenden Wellenende und durch Aufzeichnen und Wiedergeben der Schwingungen aus den befestigten Beschleunigungsmessern über einen Spektrum-Analysator. Defekte werden an dem aufgehängten Modell erzeugt, und die Schwingungsmuster werden aufgezeichnet. Anschließend wird derselbe Test an der in das Gehäuse eingeschlossenen verdächtigen Welle mit Laufrad oder Rotor ausgeführt, und das Schwingungsmuster, das in dem Rotor erzielt wird, wird an das mittels Modell erzeugte Schwingungsmuster angepaßt. Eine Vorhersage entweder von vorhandener baulicher Unversehrtheit oder eines Defekts erfolgt auf der Basis des Vergleiches der gemessenen Schwingungen. Eine gleichzeitige Technik der Computermodellnachbildung der Schwingungen ermöglicht ein Ausweiten der tatsächlichen Testergebnisse auf Defekte außerhalb derjenigen besonderen Muster gestattet, die aus dem Modelltest erzielt worden sind.

Das bevorzugte Verfahren an einer Pumpe, die eine vertikale Welle und ein unten daran befestigtes Laufrad hat, arbeitet mit einer Konstruktionsanalyse zum Identifizieren von Konstruktionsfrequenzen und von Modenformen der Wellenbaugruppe und basiert auf der besonderen Tatsache, daß das massive Laufrad oder der massive Rotor am unteren Ende der vertikalen Welle dazu tendiert, sich wie ein Fixpunkt zu verhalten. Das hat zur Folge, daß sich die Welle wie ein einfacher einseitig eingespannter Balken verhält, wenn auf das zugängliche obere Ende der Welle Kräfte ausgeübt werden. Das Verhalten der Welle ist eine Funktion der Steifigkeit der verschraubten Grenzfläche zwischen Welle und Laufrad oder Rotor und ist linear und vorhersagbar, wenn diese richtig gespannt sind, und nichtlinear, wenn die Unversehrtheit der Verschraubung verlorengeht.

Die Kenndaten des baulichen Ansprechens der Welle/ Laufrad-Baugruppe, die durch Analyse bestimmt werden, werden durch modales Testen an einer Welle/ Laufrad-Prototypenbaugruppe bewertet und feinabgestimmt. Das Prototyptesten wird auch benutzt, um die Ansprechmuster als eine Funktion der Steifigkeit der geschraubten Verbindung zu kennzeichnen, die durch die Unversehrtheit oder den Spannungswert, der in den Schrauben vorhanden ist, gesteuert wird. Eine Datenbasis der Welle/Laufrad-Muster, die durch Tests an der Prototypenbaugruppe erzeugt werden, bildet die Einrichtung, durch die die Unversehrtheit von tatsächlichen installierten Welle/Laufrad-Baugruppen ohne Zerlegung der Pumpen ermittelt werden kann. Das könnte als analog zu dem metallischen Klang einer rißfreien Kopie (eine Prototyps) der Freiheitsglocke und dem Aufzeichnen dieses Ansprechens und dem anschließenden Vergleichen des Ansprechens der gerissenen Freiheitsglocke mit dem Ansprechen des Prototyps betrachtet werden.

Das Prototypmodell ist leicht zu gewinnen. Alle arbeitenden Anlagen haben notwendigerweise Ersatzteile zur sofortigen Verfügbarkeit und zur leichteren Reparatur vorrätig. So kann einfach ein Ersatzteil für den beschriebenen Test benutzt werden.

Bei eingebauten Pumpen wird bei dem Test die dynamische Erregung an dem freiliegenden Ende der Pumpenwelle benutzt, während die Wellenbaugruppe an der Pumpenmotorwelle durch ein biegsames Seil aufgehängt ist. Beschleunigungsmesser werden an dem freiliegenden Ende der Welle installiert, um die ausgeübten Kräfte und die Ansprechmuster der Konstruktion (Ausgangssignale) zu messen. Die Ausgangssignale werden durch einen Strukturdynamikanalysator verarbeitet, der eine Charakterisierung von modalem Ansprechen, baulicher Dämpfung und durch die Konstruktion geschluckter Energie gestattet. Der Vergleich dieser Daten mit denjenigen, die an dem Prototyp erzeugt worden sind, ermöglicht eine Charakterisierung von Unterschieden in der baulichen Unversehrtheit durch bauliche Schwingungsmusteränderungen und liefert eine Information, aufgrund welcher eine Entscheidung darüber getroffen werden kann, ob die Pumpen zerlegt werden müssen oder nicht.

Da direktes Schlagen auf kritische Teile der Pumpenwelle zu vermeiden ist und es erwünscht ist, mittels Bolzen befestigte Sensoren (für optimalen Kontakt) zu installieren, kann eine spezielle Kappe verwendet werden, die Gewindebolzen zuläßt und einen Bereich bildet, wo mit dem Hammer dagegengeschlagen werden kann. Die Kappe wird auf das Ende einer Welle geschraubt und schließt einen Ring zwischen dem Ende der Welle und der Kappe ein. Die Kappe wird auf die Welle geschraubt, und Druckarretierschrauben werden an dem Ring festgezogen. Der Druck der Arretierschrauben hält die Kappe an dem oberen Ende der Welle fest, so daß sich die oben beschriebenen gewünschten Funktionen ergeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde an Kernreaktorkühlmittelpumpen auf firmeneigener Basis experimentell überprüft. Diese Pumpen hatten Schrauben zum Befestigen der Pumpenlaufräder an den Pumpenwellen. Der Ausfall einer ähnlichen Pumpe in einer ähnlichen Umgebung hatte gezeigt, daß die Inspektion ratsam war. Pumpenzerlegung bestätigte, daß man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren den Fehler i. a. finden kann. In einem Fall jedoch wurde der vorhergesagte Defekt eines losen Laufrades an den Wellenbefestigungsschrauben nicht gefunden. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglichte aber die Vorhersage des Bereiches, der eine weitere Inspektion verlangt, wenn der ursprünglich vermutete Defekt nicht gefunden wird. Eine Anomalität in dem Lagerzapfenbereich wurde durch Analyse vorausgesagt, und tatsächlich wurde anschließend der Riß eines Lagerzapfens in dem Lagerzapfenbereich entdeckt.

Die tatsächliche Schwingung des Modells (entweder eines Ersatzteils oder eines Modells eines Ersatzteils) konnte mit einem theoretisch erzeugten Computermodell verglichen werden. Das theoretisch erzeugte Computermodell kann vorteilhafterweise genauer variiert werden, um den tatsächlich beobachteten Schwingungen des Modells näherzukommen. Später und bei dem tatsächlichen Prüfen einer in das Gehäuse eingebauten Pumpe im Feld kann das feinabgestimmte Computermodell benutzt werden, um beim Auffinden von unerwarteten Defekten zu helfen. Wenn beispielsweise ein vorhergesagter Defekt nicht gefunden wird, kann der Rückgriff auf das feinabgestimmte Computermodell helfen, andere Bereiche zur Inspektion auszusuchen und zu bezeichnen, nachdem bekannt ist, daß das getestete Modell eine Eigenfrequenz hat, die von der Norm abweicht.

Es ist ein Vorteil, daß die Schwingungen, die hier benutzt werden, während des Maschinenbetriebes nicht auftreten. Die Schwingungen werden vielmehr erzeugt, wenn die getestete Pumpe oder Turbine nicht in Betrieb ist. Aus diesen Schwingungen werden zweckdienliche Daten erzeugt, um besondere Defekte zu erkennen.

Die Möglichkeit, von dem freiliegenden Ende einer Welle aus eine Schwingung zu erzeugen und nach einem entfernten Defekt zu suchen, der sich tief im Inneren der Pumpe oder Turbine befindet, besteht gemäß einer Weiterbildung der Erfindung. Diese Möglichkeit, auf entfernte und ansonsten unzugängliche Defekte zu testen, ist bei Pumpen und Turbinen besonders nützlich, bei denen das Zerlegen üblicherweise sehr schwierig ist.

Bei dem beschriebenen Verfahren werden vorzugsweise die Eigenschwingungen der Baugruppe benutzt, die aus der Welle und dem Laufrad besteht. Die Welle, gegen die geschlagen wird, spricht mit Eigenschwingungen an. Es ist die Änderung in diesen Eigenschwingungen, die die Kennung bzw. Kenntlichmachung eines Defekts darstellt.

Vorteilhafterweise wird eine bevorzugte Schwingungsart der Welle und des Laufrads ermittelt. Der Frequenzgang der Wellenbaugruppe muß als Funktion des erwarteten Defekts bestimmt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das die Schraubenvorbelastung. Es gibt viele Verfahren, das zu erzielen, und es wurde eine Auswertung gemacht, um das geeignetste Verfahren für diesen Verwendungszweck zu benutzen. Der Sinusablenktest ist das traditionelle Verfahren. Bei Realisierung der digitalen Signalverarbeitung gibt es weitere brauchbare Techniken, wie beispielsweise die Schlagprüfung, das reine Zufallstesten und das periodische Zufallstesten. Für jedes Verfahren gibt es Vor- und Nachteile. Für die bevorzugte Ausführungsform wurde das Schlagtestverfahren aus folgenden Gründen gewählt:

• a) Die Einricht- und Spannzeit ist gegenüber sämtlichen Anregungstechniken ein Minimum.
• b) Die Ausrüstungserfordernisse sind die geringsten.
• c) Es ist im Vergleich zur Sinusablenkung sehr schnell. Die Sinusablenkung benötigt 20 Minuten für eine Messung, die eine Bandbreite von 100 Hz überdeckt. Bei tausenden von Frequenzgangmessungen und dem gegebenen Zeitrahmen ist das Schlagtesten ideal.
• d) Es ist ideal für die Verwendung in den engen Räumen zum Pumpentesten, wo es schwierig ist, einen Erreger anzubringen.
• e) In der Vergangenheit sind erfolgreiche Erfahrungen mit den Schlagtesttechniken gemacht worden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1A eine Seitenansicht einer Pumpe, die die Welle innerhalb eines Gehäuses und den darüber angeordneten Antriebsmotor zeigt,

Fig. 1B eine Einzelheit, die die Aufhängung eines Laufrades in einem Gehäuse für die Prüfung veranschaulicht,

Fig. 2 eine Seitenansicht des aus Welle und Laufrad bestehenden Ersatzteils, die die Lage von Beschleunigungsmessern zum Aufzeichnen und Analysieren des Ansprechens der Welle veranschaulicht,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung zum Aufhängen und Zentrieren der Welle an einem Motorlager in dem räumlichen Bereich, der durch die entfernte Kupplung eingenommen wird,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Instrumentierung, die zum Ausführen der Schwingungsmessungen benutzt wird,

Fig. 5 ein Diagramm des Ansprechens des Prototyps in der ersten Radialmode, wobei geeignete Feldtests auf der Ordinate aufgetragen sind, und

Fig. 6 ein Diagramm der Wege, die Frequenz und Größe aufgrund von Änderungen in der Schraubenvorbelastung zurücklegen.

Fig. 1A zeigt eine Pumpe des bevorzugten Typs, die geprüft werden soll. Die Baugruppe umfaßt einen Motor M, der eine Motorwelle 14 und eine Welle S der Pumpe antreibt. Der Anschluß der Welle 14 des Motors M erfolgt über eine Kupplung C. Im folgenden ist noch näher beschrieben, daß es das Entfernen der Kupplung C ist, das die zweckmäßige Durchführung des Tests nach der Erfindung gestattet.

Der Motor M ist über einem Gehäuse K durch einen Halter 24 abgestützt. Das Gehäuse K umgibt die Welle S und ein daran befestigtes Laufrad I (vgl. Fig. 1B).

Die Pumpe P ist üblicherweise eine Kreiselpumpe mit einem zentralen Einlaß 20 und einem Umfangsauslaß 22.

Im Betrieb drehen der Motor M und die Welle 14 die Kupplung C und die Welle S. Die Welle S dreht ihrerseits das Laufrad I. Flüssigkeit, die in den Einlaß 20 gesaugt wird, wird durch Zentrifugalkraft aus dem Auslaß 22 hinausgedrückt.

Der Motor M ist relativ zu dem Gehäuse K abgestützt. Diese Abstützung ist hier beispielshalber durch die Halter 24 dargestellt. Es ist klar, daß andere Abstützvorrichtungen benutzt werden können. Beispielsweise kann die Befestigung des Motors M an dem tatsächlichen Gebäude, in dem die Pumpe angeordnet ist, erfolgen.

Einige Abmessungen und praktische Überlegungen können für den Rahmen des gelösten Problems instruktiv sein. Erstens, die dargestellte Pumpe hat einen Motor, der in dem Bereich von dreißig Tonnen wiegt, einen Durchmesser in der Größenordnung von 1,8 m hat und über die befestigte Welle etwa 9000 PS überträgt. Die gesamte Pumpenbaugruppe steht etwa 4 m tief im Inneren der Kernreaktoranlage, wo die Arbeitsbedingungen alles andere als optimal sind. Die Pumpe ist in das übliche Feld von notwendigen Anlagenrohren, Verankerungen, Hängern und Tragvorrichtungen eingebettet, von denen wenigstens einige zerschnitten und abgetrennt werden müssen, wenn die Pumpe vollständig zerlegt werden soll. Das Ausbauen der Welle mit dem Laufrad erfordert das Entfernen von zahlreichen Bolzen, die einen Durchmesser in der Größenordnung von 5 cm haben. Der Zugang ist begrenzt, so daß das erforderliche Ausbauen von Welle und Laufrad schwierig ist. Die Pumpe, die Welle und das Laufrad sind radioaktiv.

Gemäß Fig. 1B ist das Laufrad I hier an der Welle S durch vier Schrauben 31, 32, 33 und 34 befestigt (von denen nur die Schraube 31 in Fig. 1B gezeigt ist), obgleich auch andere Befestigungsmethoden benutzt werden könnten. Diese Schrauben sind Punkte von suspekter baulicher Unversehrtheit.

Selbst die Schrauben 31-34 liegen nicht direkt frei. Ein saugseitiger Ablenker 35, der durch eine Kopfschraube 36 befestigt ist, bedeckt die Enden der Schrauben.

Üblicherweise bestehen die Schrauben 31-34 beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Es ist bekannt, daß solche Schrauben Risse bekommen können. Ebenso können sich die Schrauben aufgrund von Schwingungen der Umgebung lockern.

Es ist aufgrund des dargestellten Aufbaus und der erläuterten Umgebung ohne weiteres einzusehen, daß das Zerlegen der Pumpe P alles andere als einfach ist.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß die bevorzugte Ausführungsform des Tests auf ein an einer Welle einer Pumpe befestigtes Laufrad gerichtet wurde. Selbstverständlich ist der hier beschriebene Test auf andere Befestigungstechniken anwendbar. Beispielsweise und keineswegs ausschließlich könnte die Befestigung auch durch Schweißen, Schrumpfpassung, Keilnutverbindungen, Nasen, Paßfedern und Nuten und andere bekannte und benutzte Verbindungen erfolgen.

An der Welle ist ein Lagerzapfen J entweder durch Schrumpfen oder durch Schweißen befestigt. Der Lagerzapfen J bildet eine Lagerfläche in bezug auf das Gehäuse K für die schnelle Drehung des Laufrads.

Fig. 2 zeigt eine Baugruppe aus einer "Ersatz"-Welle S′, einem Lagerzapfen J′ und einem Laufrad I′. Die Baugruppe wird üblicherweise in der Nähe der Kraftwerksanlage, in der sich die Pumpe P befindet, auf Lager gehalten. Das hier angegebene Protokoll benutzt das üblicherweise bequem verfügbare Ersatzteil zum zerstörungsfreien Prüfen und zur Datenbasiserzeugung.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 muß die Welle S für den hier benutzten Schwingungstest aufgehängt werden. Demgemäß werden eine Gewindemmutter 40 und eine untere Kappe 44 benutzt. Die Mutter 40 ist mit ihrem Innengewinde auf ein Außengewinde 42 am oberen Ende der Welle aufgeschraubt. Die Mutter 40 ist mit der unteren Kappe 44 versehen. Die Kappe 44 hat diskrete Düsen 46. Die Kappe 44 ist das Teil, über das radiale, tangentiale und longitudinale Schwingungen hervorgerufen werden können. Gegen die sorgfältig maschinell bearbeitete und sehr teure Welle S wird also während des Tests nicht geschlagen. Vielmehr können die Kappe 44 und die Mutter 40 sowohl die Befestigungspunkte als auch die Schlagpunkte bilden. Die Kappe 44 wird an dem Wellenende durch eine Reihe von Schrauben 47 starr befestigt.

Üblicherweise sind im Betrieb die Welle S, das Laufrad I und der Lagerzapfen J alle an dem Motor M an der Welle 14 aufgehängt (vgl. Fig. 1A). Ebenso ist während der Prüfung, die hier benutzt wird, die Welle S wieder an dem Motor M an der Welle 14 aufgehängt (vgl. Fig. 1B und 3).

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung, die zum Prüfen der Pumpe und des Laufrads benutzt wird. Vor dem Installieren der Vorrichtung wurde die Pumpe P entleert, die Kupplung C und die zugehörigen mechanischen Dichtungen wurden entfernt. Die Motorkupplung am Ende der Welle 14 wurde als Halter benutzt. Vier lange Gewindestangen 55 wurden an der Motorkupplung durch zwei Muttern an jeder Stange befestigt. Das untere Ende der Stangen hielt eine Tragplatte 60 fest, die durch vier Muttern gehoben und gesenkt werden konnte. Eine Zentrierplatte 64 ruhte auf der Tragplatte 60. Die Zentrierplatte 64 hielt ein Axiallager 65 und eine Spindel fest. Die Spindel trug das Gewicht der Welle über eine Ringschraube 67, Schäkel 68 und ein Nylonband 50. Durch Anziehen der Hubmuttern E auf der Stange 55 wurde die Welle aus dem Gehäuse angehoben. Die Welle wurde zentriert, indem vier Gewindespindeln 77 benutzt wurden, um die Welle quer zu bewegen. Die endgültige zentrierte Position der Welle wurde durch visuelles Prüfen der Wellenkonzentrizität in dem Pumpendichtungsgehäuse beurteilt. Zusätzlich wurde das Nichtvorhandensein von seitlichem Kontakt durch die Möglichkeit überprüft, die Welle auf dem Axiallager 65 in einem Ringraum 66 und dem entsprechenden Ringraum in der Pumpe bei J manuell drehen zu können. Mit anderen Worten, wenn die Welle in dem Gehäuse klemmte, wäre die Bedienungsperson nicht in der Lage gewesen, die Welle von Hand zu drehen. Obgleich man die Welle hätte innerhalb von 25,4 µm zentrieren können, war eine genaue Zentrierung nicht notwendig, da Empfindlichkeitsuntersuchungen gezeigt hatten, daß ein geringfügiger seitlicher Kontakt in dem Pumpengehäuse die Ansprechdaten der Welle nicht ungültig machen würde.

Der Leser wird erkennen, daß die Aufhängungen in Fig. 2 und bei der tatsächlichen Pumpe gemäß der Darstellung in Fig. 3 im wesentlichen dieselben sind. Das bedeutet, die beiden Aufhängungen weisen im wesentlichen dieselben Randbedingungen auf. Nachdem dieselben Randbedingungen erzielt worden sind, kann erwartet werden, daß demselben Schwingungsmuster gefolgt werden wird.

Fig. 4 zeigt ein Schema der verwendeten Instrumentierung.

Die Beschleunigungsmesser wurden von der PCB Corporation hergestellt und umfaßten diejenigen, die unter den Serien 303A und 308B verkauft werden. Der verwendete Verstärker 70 war das von der PCB Corporation, Depew, New York, hergestellte und vertriebene Modell 483A07. Ein Hammer H, der von der PCB Corporation hergestellt und als Modell GK291B05 vertrieben wird, wurde zum Erzeugen von Schwingungen benutzt. Der Hammer hatte vorzugsweise eine Spitze T aus Metall oder Kunststoff.

Der Ausgang des Verstärkers 70 ist mit einem Bandgerät 72 verbunden, das von der Honeywell Corporation, Phoenix, Arizona, hergestellt und unter der Modellnummer 101 vertrieben wird. Ein Schreiber 74 wurde benutzt, der von der Gould, Inc., Cleveland, Ohio, hergestellt und unter der Bezeichnung Mark 260 Recorder vertrieben wird.

Ein Oszillograph 75, der von der Honeywell Corporation, Phoenix, Arizona, hergestellt und unter der Modellnummer 1858 vertrieben wird, wurde benutzt. Ein Zweikanalspektrumanalysator 76, der von der Hewlett-Packard Corporation, Palo Alto, Kalifornien, hergestellt und unter der Modellnummer 5423A vertrieben wird, wurde benutzt. Ein herkömmliches Katodenstrahloszilloskop 78, das von Hewlett-Packard Corporation hergestellt wird, wurde benutzt, um Schwingungen auf Echtzeitbasis anzuzeigen.

Nachdem die tatsächliche Pumpe, das Prototypenmodell und die damit verbundenen Geräte angegeben worden sind, können nun die Ergebnisse von tatsächlichen Tests angegeben werden, welche im Feld auf firmeneigener Basis durchgeführt worden sind.

Zwei Reihen von Prüfungen wurden durchgeführt, Basisfallprüfungen und Empfindlichkeitsprüfungen. Bei den Basisfallprüfungen wurde das Ansprechen des Gebildes auf verschiedene Schraubenkonfigurationen getestet, wobei sämtliche anderen Parameter konstant blieben. Bei den Empfindlichkeitsprüfungen blieb die Schraubenkonfiguration konstant, während andere Parameter geändert wurden, um festzustellen, wie empfindlich die baulichen dynamischen Eigenschaften für Änderungen in anderen Parametern waren. Diese beiden Serien werden im folgenden beschrieben.

Basisfallprüfungen

Insgesamt 20 Basisfallprüfungen wurden ausgeführt. Gemäß den Spezifikationen des betreffenden Pumpenherstellers (Byron Jackson) betrug der Entwurfsmindestdrehmomentwert für die Schrauben 407 Nm (300 ft-lbs) für eine feste Konfiguration. Die ersten fünf Fälle umfaßten ein gleichmäßiges Lockern von allen vier Schrauben, die dadurch aus der Konfiguration, in der alle fest angezogen waren, in die Konfiguration gebracht wurden, in der alle locker waren (vgl. Fig. 6). Tatsächlich erfolgte dieses Lockern in 25%-Schritten. In Fig. 6 bezeichnet das Symbol "1" volle Festigkeit (407 Nm oder 300 ft-lbs Drehmoment), und 0 bezeichnet völliges Lockern. Die Testpunkte wurden so erzeugt, daß sie verschiedene Kombinationen von 3 festen Schrauben, 2 festen Schrauben und 1 festen Schraube umfaßten, vgl. Tabelle I.

Tabelle I

Phase-I-Basisfallprüfungen

Für jeden Prüfzustand wurde das obere Ende der Welle an vier Stellen angeschlagen. Die Stellen waren direkt in einer Linie mit oder unter demselben Azimut wie die Schrauben, wie es in Fig. 1B gezeigt ist, obgleich das für den allgemeinen Fall nicht so zu sein braucht. An jeder Stelle wurde die Welle in drei Richtungen angeschlagen: vertikal, radial und tangential. Für die radiale Richtung wurde sowohl gegen die Kappe als auch gegen die Welle geschlagen, für die tangentiale Richtung wurde nur gegen die Kappe geschlagen, und für die vertikale Richtung wurde nur gegen die Welle geschlagen. In jeder Richtung wurden mindestens 3 Schläge mit dem oben beschriebenen Hammer ausgeführt. Die tatsächliche Anzahl der Schläge wurde verändert, bis eine hohe Kohärenz zwischen dem ausgeführten Schlag und dem Ansprechen erzielt wurde.

Empfindlichkeitsprüfungen

Zum Ermitteln der Durchführbarkeit des Konzepts für die Anwendung im Feld und zum Untersuchen der Empfindlichkeit der Ergebnisse für einschlägige Variable wurden folgende Prüfungen zusätzlich zu den Basisfallprüfungen ausgeführt:

a) Empfindlichkeit für Gewichtsänderungen

Die Pumpenlaufräder werden üblicherweise in Sandguß hergestellt und unterliegen deshalb einer größeren Veränderung der gesamten Dicken als eine geschmiedete oder Stangenmaterialausführungsform. Die Veränderungen sind Ergebnisse der systematischen Bewegung von Kernen während des Gießens. Es wurde geschätzt, daß die Veränderung im fertigen Gewicht des Laufrads 5% nicht übersteigt.

Bei einem Scheibe/Welle-Modell ähnlich dem in Fig. 2, aber ohne ein teures Ersatzteil, wurden eine Welle und eine Scheibe benutzt. Die Scheibe wurde benutzt, um die Masse des Laufrads I zu emulieren und zu simulieren. Die Empfindlichkeit aufgrund einer Gewichtsveränderung wurde untersucht, indem Gewicht zu der Scheibe hinzugefügt und das Ansprechen auf Schläge mit Basisfallergebnissen verglichen wurde.

b) Empfindlichkeit für die Kappe

Die Kappe 44 und die Mutter 40 addieren eine weitere Grenzflächenverbindung zu der Wellenbaugruppe. Darüber hinaus bringen sie dem System zusätzliche Masse. Zum Auswerten der Auswirkungen der Kappe wurden zwei Tests durchgeführt.

• (1) Der Beschleunigungsmesser wurde an der Kappe angebracht. Schläge wurden auf die Kappe und die Welle ausgeübt, und die sich ergebenden Frequenzgänge wurden verglichen.
• (2) Ein Beschleunigungsmesser wurde an der Kappe angebracht, und ein weiterer Beschleunigungsmesser wurde oben auf der Welle angebracht. Schläge wurden auf die Kappe und die Welle ausgeübt, und die sich ergebenden Frequenzgänge der beiden Beschleunigungsmesser wurden verglichen. Die beschriebene Kappe 44 und die beschriebene Mutter 40 wurden getestet, um ihren Einfluß auf die Daten zu ermitteln. Wenn die Kappe nicht starr genug befestigt ist (in einem Extremfall nur lose angebracht ist), wird sie dazu neigen, während der Schlagansprechzeit an der Welle zu rattern und entsprechende Signale zu erzeugen. Deshalb werden die Festigkeit der Kappe und ihre Gesamtberührungsfläche mit der Welle bedeutsam. Die andere Überlegung bei der Kappe war die Eigenfrequenz der Kappe selbst. Die Kappe wurde so bemessen, daß ihre unterste Eigenfrequenz außerhalb des interessierenden Bereiches lag. Das wurde mittels Test überprüft.

c) Empfindlichkeit für seitliche Abstützungen

Es wurde befürchtet, daß es bei der installierten Pumpe nicht praktisch sein könnte, die Pumpenwelle in einem freien Zustand aufzuhängen, d. h. so, daß die Welle das Lager oder das Pumpengehäuse in keinem Punkt berührt. Dann wurde ein "Neigungstest" ausgeführt, um diese Befürchtungen zu zerstreuen. Eine Untergruppe der Hauptmatrixtests wurde ausgeführt, bei denen die Welle um mehrere Grad gegenüber der Senkrechten geneigt war und eine äußere Oberfläche berührte, wodurch ein Zustand simuliert wurde, in welchem die Pumpenwelle gegen das Pumpenlager geneigt war. Bei der Prototypwelle gibt es einen Verschleißring, der mit dem Lagerzapfen an irgendeinem Punkt in Berührung sein kann oder nicht. Es war daher notwendig, den Frequenzgang der Konstruktion für die berührungsfreie Position und für verschiedene Berührungspositionen zu finden und zu vergleichen. Während der Prüfung wurde ein Holzstück zwischen dem Verschleißring und dem Lagerzapfen in verschiedenen Punkten verkeilt, um die Berührung zu gewährleisten. Der Widerstand zwischen dem Verschleißring und dem Lagerzapfen wurde als ein Maß für die Berührung gemessen. Es war nicht möglich, physikalisch eine völlig berührungsfreie Konfiguration zu erzielen, weil es wegen des sehr kleinen Spiels immer einen Berührungspunkt am Umfang gab. Es wurden daher verschiedene Berührungskonfigurationen getestet und verglichen.

d) Auswirkung von Ablenker und Kopfschraube

Es gibt den Ablenker 35 und die Kopfschraube 36 am unteren Ende der Welle und über dem Laufrad I, die entfernt werden müssen, um Zugang zu den Schrauben zum Spannen und Lösen derselben zu gewinnen. Das Entfernen und Wiederanbauen des Ablenkers und der Kopfschraube erforderte nach jedem Testpunkt etwa eine halbe Stunde, und das erforderte ein exorbitantes Ausmaß an Gesamtzeit bei mehr als 140 Testpunkten und den verschiedenen Empfindlichkeitsuntersuchungen. Es wurde daher eine Entscheidung getroffen, um die Frequenzgänge mit und ohne den Reflektor und die Kopfschraube zu vergleichen und zu sehen, ob sie für die Dauer des Testens entfernt werden konnten.

e) Gerissene Schrauben

Der Prototyp wurde auch für verschiedene Konfigurationen von gerissenen Schrauben getestet. Vier Schrauben waren bis zu einem Viertel des Radius gerissen (QC), und vier Schrauben waren bis zur Hälfte des Radius gerissen (HC). Die Risse in allen acht Schrauben wurden durch Nuten simuliert, die sich über den gesamten Umfang erstreckten. Verschiedene Kombinationen von QC-Schrauben und von HC-Schrauben wurden getestet, die zu insgesamt achtundzwanzig Konfigurationen von gerissenen Schrauben führten. Die gerissenen Schrauben wurden mit einem maximalen Schraubendrehmoment von 203 Nm angezogen, um den Vorspannungsverlust aufgrund von Rißbildung zu simulieren und akzeptabel niedrige Schraubenspannungswerte aufgrund des ausgeübten Drehmoments aufrechtzuerhalten.

f) Auswirkung von Hammer und Spitze

Verschiedene Hammertypen H, Spitzen T und zusätzliche Massen (an dem Hammer) wurden getestet, um den richtigen Frequenzgang der Wellenkonstruktion zu erzielen. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

• 1. Bei dem kleinen Hammer betrug der erzielbare Kraftbereich 445 N bis 668 N. Bei mittleren Hämmern konnten bis zu 4450 N erzielt werden.
• 2. Die zusätzliche Masse bewirkt, daß sich eine höhere Kraft ergibt.
• 3. Gummispitzenergebnisse waren nicht zuverlässig.

Basierend auf obigem wurde der mittlere Hammer (der eine Kraft bis zu 4450 N erzeugen kann) mit zusätzlicher Masse ausgewählt. Die Auswahl der Spitzen wurde auf Kunststoff- und Stahlspitzen beschränkt. Die Kunststoffspitze ergibt einen guten Frequenzgang nur bis etwa 1500 Hz. Die Stahlspitze geht bis 5000 Hz. Die Stahlspitze hinterließ jedoch Markierungen auf der Schlagoberfläche, wogegen die Kunststoffspitze keine sichtbaren Markierungen hinterließ. Es wurde daher beschlossen, für alle kritischen Oberflächen (d. h. für den Umfangsteil der Welle) nur die Kunststoffspitze zu benutzen. Für die unkritischen Oberflächen, wie z. B. die Keilnut und das obere Ende der Welle, wurde die Stahlspitze benutzt.

Die Auswahl des richtigen Hammers und der Spitze ist für die Ansprechkenndaten der Konstruktion kritisch, insbesondere in dem benutzten Frequenzbereich. Ein Hammer, der von der PCB Corporation hergestellt und als Modell GK291B05 vertrieben wird, wurde benutzt. Drei Hammertypen wurden getestet: klein, mittel und groß.

Für den kleinen und den mittleren Hammer wurden drei verschiedene Arten von Spitzen getestet - Stahl, Kunststoff und Gummi. Für jede Spitze wurden Prüfungen mit und ohne zusätzliche Masse durchgeführt. In jeder Reihe wurde auch die Hammerkraft verändert, um die Auswirkungen von sich ändernden Hammerkräften zu untersuchen.

Befund

Nach geeigneten Prüfungen, wie sie oben beschrieben sind, wurde festgestellt:

• 1. Für die Prototyp-Welle kann der Lockerungszustand von 1 oder mehrere Schrauben zuverlässig vorhergesagt werden.
• 2. Die exakte Kombination von lockeren Schrauben kann nicht genau gemacht werden, da verschiedene Kombinationen zu einem Frequenzgang führen können. Es können jedoch qualitative Beurteilungen auf einer Richtungsbasis gemacht werden, und der Gesamtverlust an Vorspannung kann vorhergesagt werden.
• 3. Der effektivste Frequenzbereich für die Vorhersage ist 0 Hz bis 500 Hz.
• 4. Die Radialmodenfrequenzen sind die empfindlichsten für Schraubenvorspannungsänderungen.
• 5. Die Vertikalmoden und die Torsionsmoden sind für Schraubenvorspannungsänderungen nicht empfindlich.
• 6. Die Beschleunigungsmesser wurden vorzugsweise an der Welle und nicht an der Kappe angebracht. Es ist klar, daß das nicht immer der Fall zu sein braucht; einige Anlagen können das Anbringen an der Kappe gestatten.
• 7. Der Kontakt des Verschleißringes mit dem Lagerzapfen hat keine Auswirkung auf den Frequenzgang.
• 8. Der Ablenker und die Kopfschraube verringern den Frequenzgang um 1% oder 2%.
• 9. Die Wahl des richtigen Hammers und der richtigen Spitze ist für das Erzielen der richtigen Ergebnisse wichtig. Ein mittlerer Hammer mit einer Stahlspitze ist am besten geeignet, um auf unkritische Oberflächen der Welle zu schlagen, wogegen ein kleiner Hammer mit einer Kunststoffspitze für Schläge auf kritische Oberflächen benötigt wird.
• 10. Der Lagerzapfen, der gegen eine Halterung geneigt ist, wird das Verhalten der Welle nicht nennenswert beeinflussen.
• 11. Das dynamische Verhalten der Welle ist eine Funktion der Vorbelastung, und das Vorhandensein von Schraubenrissen beeinflußt nicht das dynamische Verhalten der Welle, solange die Vorbelastung aufrechterhalten wird.
• 12. Kleine Gewichtsveränderungen des Laufrads I sowie die Zentrierung der Masse des Laufrads I beeinflussen nicht das Gesamtverhalten.
• 13. Die Welle, die sich gegen ein Lager lehnt, beeinflußt das Gesamtverhalten nicht nennenswert.

Datenerzeugung

Der Leser wird verstehen, daß eine umfangreiche Datenbasis von Schwingungskennungen mit der auf flexible Weise (mittels Kette oder Nylonband) aufgehängten Pumpenwelle vervollständigt wurde. Die Pumpenwelle und ihr Modell wurden aufgehängt, um einen freien Zustand zu simulieren. Ein freier Zustand wurde gewählt, um die analytische Arbeit (Randbedingungen und Nachbildung im Modell) zu vereinfachen und die Wechselwirkung zwischen dem Laufrad (oder der Scheibe) und seiner Abstützung, bei der es sich um den Boden (im Falle des Prototyps) handeln würde, und dem Pumpengehäuse (im Falle der Endtests an Pumpen A, B, C und D) zu eliminieren. Es war notwendig, die freien Randbedingungen für sämtliche Tests des Prototyps zu duplizieren.

Das Verhalten der instrumentierten Pumpenwellen wurde durch Sensoren erfaßt, die am oberen Ende der Welle befestigt waren. Die Schwingungsamplitudensignale der Sensoren wurden verstärkt, so daß sich eine Empfindlichkeit von 1 bis 10 g pro Volt ergab.

Die Sensorbefestigungsstellen sind in Fig. 2 gezeigt. Insgesamt 6 dreiachsige Beschleunigungsmesser wurden benutzt, vier am oberen Ende der Welle und einer an jeder Keilnut. Alle Beschleunigungsmesser wurden mittels Epoxidharz befestigt.

Kabel mit einer Länge von 30 m wurden von den Pumpen zu dem Reaktorladeboden gezogen, wo das Datenerfassungssystem eingerichtet wurde. Die Signale aus sämtlichen Sensoren wurden während des Tests gleichzeitig auf Magnetband aufgezeichnet. Zwei Honeywell-101-Bandgeräte wurden für diesen Zweck benutzt. Ein Zweikanalspektrumanalysator wurde zur Datenerfassung und -reduktion benutzt. Die Qualität der Hammerschläge wurde beurteilt, indem der Kraftimpuls an einem Kanal und das Ansprechen an dem zweiten Kanal beobachtet wurden. Die Anzahl der Schläge wurde durch die Kohärenzfunktion bestimmt, die durch den Spektrumanalysator berechnet wurde. Üblicherweise wurden 5 bis 10 Schläge für jede Stelle und Richtung ausgeübt.

Vergleich von Testergebnissen und analytischen Ergebnissen

Ein Computermodell wurde unter Verwendung von SUPERTAB gebaut, einem interaktiven Graphikprogramm, das von GE/CAE für die Konstruktion von Feinelementmodellen und zum Anzeigen von analytischen Ergebnissen entwickelt worden ist. Das Computermodell war für die Prototyppumpenwellenbaugruppe. Enthalten in diesem Modell waren die abgestufte Welle, der Lagerzapfen, die Wellenkappe und das Laufrad.

Der Zweck der Computeranalyse war es, Einblick in die dynamische Bewegung des Prototyps zu gewinnen. Das Prüfen des Prototyps warf einige Fragen über die dritte Radialmode und die Torsionsfrequenzen auf, die die Kenntnis der Modenformen verlangten, um Verständnis zu gewinnen.

Gemäß den Darstellungen in den Fig. 5 und 6 zeigen die Prototypdaten, daß die Ansprechfrequenz für jede besondere Mode bei einem Anstieg des Schraubendrehmoments für hohe Drehmomentwerte weniger und weniger zunimmt. Anders ausgedrückt, der beobachtete Trend für den Bereich von 0-814 Nm scheint zu zeigen, daß die Eigenfrequenz einen konstanten Wert bei einem Drehmoment, der höher als 814 Nm ist, asymptotisch erreicht. Zum Beispiel wird anhand der beobachteten Form nicht erwartet, daß die erste Radialmode einen viel höheren Wert als 123 Hz erreicht, der bei 814 Nm beobachtet wird. Es wurde festgestellt, daß die zweite und die vierte Radialmode (nicht gezeigt) jedoch einen Weg zu gehen haben, bevor sie ihren asymptotischen Wert erreichen. Die dritte Mode (ebenfalls nicht gezeigt) hat dagegen ihren asymptotischen Wert ziemlich schnell erreicht (mit 203 Nm. Einen direkten Vergleich zwischen den Prototypdaten bei 814 Nm Vorspannung mit den Modellergebnissen zeigt die folgende Frequenztabelle:

Das mittels Computer erzeugte Modell wurde unter Verwendung der Modellprüfungen verbessert. Aufgrund dieses verbesserten Modells konnten genauere Voraussagen anhand des Computermodells gemacht werden. Wenn z. B. die erwartete lockere Schraube bei einer im Feld getesteten Pumpe nicht festgestellt wurde, war es möglich, den allgemeinen Bereich eines weiteren Defekts vorherzusagen - in diesem Fall eines gerissenen Lagerzapfens.

Allgemeine Schlußfolgerungen

Aufgrund der obigen Beobachtungen läßt sich sagen, daß die vorbelastungsempfindliche erste, zweite und vierte Radialmode niedriger sind als bei dem "extrem festen" (starren) Modell. Deshalb würde die Modellnachbildung eines völlig festen Zustands als eine durchgehende oder starre Grenzfläche den Fall repräsentieren, in welchem alle vier radialen Frequenzen ihre asymptotischen Werte erreicht haben (die Schrauben haben ein Drehmoment, das wesentlich über 814 Nm liegt). Die dritte Mode ist jedoch im Vergleich zu dem Experiment bei dem Modell niedriger. Diese Diskrepanz von 2% ist ziemlich gering, weshalb Experiment und Analyse als im wesentlichen gleich betrachtet werden können.

Die dritte Radialmode, die als ziemlich verschieden von den anderen Radialmoden erkannt worden ist, änderte sich bei dem erhöhten Schraubendrehmoment über 203 Nm während des Tests des Prototyps nicht. Die Analyse zeigte, warum das so war. Betrachtet man die Modenform bei dieser besonderen Frequenz, so ist zu erkennen, daß die primäre Schwingung weit über der Balken-Laufrad-Grenzfläche ist, wobei der Lagerzapfen als Trägheitsanker wirkt. Veränderungen in dem statischen Gebiet (d. h. lockere Schrauben) ändert daher nicht die Steifigkeit des schwingenden Gebietes, und infolgedessen wurde nicht erwartet, daß sich die Frequenz bei einer Änderung der Verbindungsstellensteifigkeit ändert.

Die modale Analyse wurde ausgeführt, um die Dateninterpretation und die hypothetische Auswertung zu stützen. Die Schlußfolgerungen, die unter Verwendung der Analyse getroffen worden sind, sind folgende:

• 1. Ein gerissener Lagerzapfen kann sowohl die radialen als auch die tangentialen Frequenzen beträchtlich verringern.
• 2. Ein lockerer Lagerzapfen kann sowohl die radialen als auch die tangentialen Frequenzen beträchtlich verringern.
• 3. Die analytischen Frequenzen sind ständig höher als bei dem Experiment, und zwar wegen des starr modellierten Verbindungsstellenabschnitts.
• 4. Die dritte Radialmode und alle Torsionsmoden sind für die Schraubenvorspannung nicht empfindlich.
• 5. Die dritte Radialmode und alle Torsionsmoden sind für einen gerissenen oder lockeren Lagerzapfen empfindlich.

Eine Spannungsanalyse wurde durchgeführt, um die Veränderung des Druckspannungsprofils, das jede Schraube mit Vorspannung umgibt, und die Auswirkung von gerissenen Schrauben zu untersuchen. Die Schlußfolgerungen aus der Spannungsanalyse sind folgende:

• 1. Bei jeder Schraube ist eine Änderung im Druckspannungsprofil in bezug auf die Schraubenvorspannung nichtlinear. Für eine 50%-Verringerung der Vorspannung gibt es nur eine 20%-Verringerung im Radius der Kontaktzone.
• 2. Eine meßbare Rißbildung kann in den Schrauben bei sehr wenig Verlust an Vorspannung oder Klemmkraft vorhanden sein. Das dynamische Verhalten des Systems wird sich daher bei Vorhandensein von Rissen nicht nennenswert ändern, sofern nicht sehr tiefe Risse vorhanden sind.

Die Methodologie bestand darin, das bauliche dynamische Verhalten als Funktion der Verschraubungsvorspannung zu kennzeichnen und so eine Datenbasis zu schaffen und dann das bauliche dynamische Verhalten der Pumpe mit dieser Datenbasis zu vergleichen. Die Kenndaten des dynamischen Verhaltens, wie z. B. die Frequenzen und die Modenformen, verändern sich nicht nur mit der Vorspannung, sondern auch mit jedem Parameter, der die Steifigkeit der Konstruktion beeinflußt, wie z. B. Rißbildung oder Lockerung in der Welle, dem Lagerzapfen oder dem Laufrad. Wenn nur ein Parameter sich verändert, wie z. B. die Vorspannung, während die anderen Parameter konstant gehalten werden, können genaue Vorhersagen über die Vorspannung gemacht werden. Wenn sich die anderen Parameter ebenfalls verändern, ist es schwierig, die Auswirkungen jedes Parameters zu trennen, und detaillierte logische Untersuchungen sind notwendig, um den Beitrag jedes Parameters zu isolieren.

Für den Fall, in welchem nur die Vorspannung der beeinflußte Parameter ist, kann der Zustand von 1 oder mehreren lockeren Schrauben zuverlässig vorhergesagt werden. Die exakte Kombination von lockeren Schrauben kann nicht genau gemacht werden, da verschiedene Kombinationen zu einem Frequenzgang führen können. Qualitative Beurteilungen auf Richtungsbasis können jedoch gemacht werden, und der Gesamtverlust an Vorspannung kann vorhergesagt werden. Bei den untersuchten Pumpenwellen sind die effektivsten Indikatoren die Radialmoden. Die axialen und die Torsionsmoden sind für Vorspannungsänderungen nicht empfindlich. Eine geringe Veränderung der Laufradmasse sowie der Kontakte des Lagerzapfens mit den Lagern beeinflussen nicht den Frequenzgang der Welle.

Die Prüf- und Analysendaten, die auf firmeneigener Basis erzielt worden sind, zeigten, daß die Pumpe A die größte Frequenzabweichung von dem Prototyp hatte, gefolgt von der Pumpe B, der Pumpe D und der Pumpe C. Es wurde daher entschieden, die Pumpe A zu zerlegen. Die Daten zeigten außerdem, daß alle Schrauben an allen Pumpenlaufrädern eine Spannung haben, die mehr als 407 Nm Drehmoment entspricht. Schlußfolgerungen aus der Datenanalyse zeigten auch, daß die Lagerzapfen bei den Pumpen A und B biegsamer sind als bei den Pumpen C und D. Das Zerlegen der Pumpe A in Verbindung mit Prozeßeinstellungen, die mittels Test überprüft wurden, demonstrierten ein zuverlässiges Verfahren für die zukünftige Anwendung.

Wir haben die erzeugte Schwingung einer Pumpe bei völlig entleertem Gehäuse gezeigt. Der Leser wird verstehen, daß der Test auch bei teilweise oder vollständig geflutetem Gehäuse ausgeführt werden könnte. Dieses Fluten würde eine beobachtete Randbedingung darstellen. Die einzige Beschränkung wäre selbstverständlich, daß das Modell unter derselben Randbedingung voller oder teilweiser Flutung in Schwingung versetzt wird.

In der Beschreibung bezieht sich die bevorzugte Ausführungsform auf eine Pumpe, die eine vertikale Welle hat. Dem Fachmann ist klar, daß die beschriebene Technik ebensogut auf Pumpen und Turbinen anwendbar ist, die eine horizontale Aufhängung haben.

Weiter haben wir die normalen Randbedingungen der tatsächlichen Pumpe mit Gehäuse verändert, um sie den Randbedingungen des aufgehängten Modells anzupassen. Statt dessen könnten die Randbedingungen des Modells geändert werden, um sie den Randbedingungen der tatsächlichen Pumpe anzupassen. Weiter könnten beide Randbedingungen geändert werden, solange die endgültigen Randbedingungen der Aufhängung vergleichbar sind.

Es ist die übliche Bedingung, daß die Randbedingungen innerhalb der Pumpe am schwierigsten zu modifizieren sind. Es wird deshalb der übliche Fall sein, daß die Randbedingungen des Modells den zweckmäßigsten Randbedingungen, die sich bei der tatsächlichen Pumpe finden, angepaßt werden.

Am Anfang der Entwicklung der hier beschriebenen Prüfungen zeigte es sich, daß es ideal wäre, wenn eine vorinstrumentierte Kappe an dem Ende der Pumpe befestigt werden könnte. Diese Kappe könnte dann sowohl als die Stelle dienen, wo mit dem beschriebenen Hammer der Schlag ausgeübt wird, als auch als der Befestigungspunkt für alle Beschleunigungsmesser. Leider bedeutete das Hinzufügen der Kappe eine zusätzliche Grenzfläche. Die Auswirkung dieser Grenzfläche war nicht immer präzise reproduzierbar. Es hat sich gezeigt, daß die Befestigung der Beschleunigungsmesser direkt an der Welle für reproduzierbare Ergebnisse erwünschter war. Weiter wurde beim Anschlagen der Welle, um diese in Schwingung zu versetzen, die Kappe nur zum Hervorrufen von Torsionsschwingungen benutzt. Longitudinale und radiale Schwingungen wurden hervorgerufen, indem in unkritischen Bereichen, wo durch den Hammer hervorgerufene Vertiefungen den Betrieb der zusammengebauten Pumpe nicht stören würden, direkt gegen die Welle geschlagen wurde.

Bei der hier dargestellten besonderen Prüfung war die Kappe zum Ausführen der Prüfung erforderlich. Es ist klar, daß bei vielen Prüfungen Kappen nicht erforderlich sein werden. Zum Beispiel könnten ebensogut vorhandene Bohrungen in der Welle oder dem Laufrad oder Rotor benutzt werden. Weiter könnte in einem Fall, in welchem keine dauerhafte Beschädigung der Welle erfolgt, ein Loch für die erforderliche Aufhängung angebracht werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Prüfen des strukturellen Zustandes einer innerhalb eines Gehäuses aufgehängten Welle mit Laufrad , wobei Schwingungen in dem Laufrad abgestoßen werden, das dabei entstehende Schwingungsmuster analysiert und mit einem anderen Schwingungsmuster verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Modell der Welle mit Laufrad außerhalb des Gehäuses unter im wesentlichen den gleichen Randbedingungen wie bei der Aufhängung der Welle mit Laufrad innerhalb des Gehäuses aufgehängt wird,
• - Schwingungen in dem aufgehängten Modell angestoßen werden,
• - an dem Modell der Welle mit Laufrad vermutete Fehler nachgebildet sind,
• - das Schwingungsmuster des Modells der Welle mit Laufrad analysiert und mit den daran nachgebildeten Fehlern korreliert wird,
• - das Schwingungsmuster des mit Fehlern versehenen Modells der Welle mit Laufrad mit dem Schwingungsmuster der innerhalb des Gehäuses aufgehängten Welle mit Laufrad verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgehängte Modell eine Ersatzwelle mit Laufrad ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anstoßen der Schwingungen mit einem Meßhammer Schläge ausgeübt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anstoßen der Schwingungen Eigenfrequenzen erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen entfernt von dem Laufrad angestoßen werden, um Defekte in der Nähe des Laufrads zu erkennen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell der Welle mit Laufrad gebaut wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des Gehäuses aufgehängte Welle mit Laufrad einer Pumpe oder Turbine über eine Kopplung von einem Motor angetrieben werden kann, wobei zum Prüfen der Welle mit Laufrad die Kopplung gelöst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufhängen der Welle mit Laufrad an dem Motor nach dem Analysieren der Schwingungen des Modells erfolgt.