DE2543587B1 - Lebensdauerueberwachungseinrichtung fuer eine turbinen-generatorwelle - Google Patents

Description

Die Lebensdauer eines hoch belasteten Maschinenteils ist außer von der Betriebszeit ganz wesentlich von Überlastungen in Störungsfallen abhängig. Es ist daher wünschenswert, bei Maschinen oder Maschinenteilen rechtzeitig zu erkennen, wann mit einem Schaden durch eine derartige Überlastung zu rechnen ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine derartige Einrichtung zur Überwachung der Lebensdauer eines Maschinenteiles unter Ermittlung des für die Belastung relevanten Betriebsparameters, der in einem nichtlinearen Funktionsgenerator in der Lebensdauer proportionale Signale umgewandelt wird, die dann zur Bestimmung der Restlebensdauer aufsummiert und gespeichert werden.

Eine derartige Einrichtung ist zur Überwachung eines Gasturbinentriebwerkes aus der deutschen Auslegeschrift 14 99 544 bekannt. Abhängig von der Strahlrohrtemperatur einer Gasturbine werden mit dieser bekannten Einrichtung über elektrische Auswertschaltungen aus Zeit und Temperatur Impulse gewonnen, die dem Verbrauch an Lebensdauer proportional sind.

Diese Impulse werden beispielsweise in einem Zähler gespeichert, aus dem man ablesen kann, wann eine Überholung des Triebwerkes notwendig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lebensdauerüberwachungseinrichtung für die Turbinen-Generatorwelle eines Turbosatzes in einem Elektrizitätswerk zu schaffen.

Untersuchungen an großen Turbosätzen (über 500 MVA) haben gezeigt, daß nicht nur Störungen an der Turbine oder am Generator, sondern auch Störungen im angeschlossenen Hochspannungsnetz erhebliche Belastungen für die Turbinen-Generatorwelle darstellen können. Bei derartig großen Anlagen bewirkt ein Kurzschluß im Hochspannungsnetz in der Nähe des Turbosatzes, daß die Turbinen-Generatorwel-Ie schwach gedämpfte Torsionsschwingungen ausführt Wird durch den Netzschutz der Kurzschluß im Hochspannungsnetz abgeschaltet, so stimmt der Vektor der im Generator induzierten Spannung nicht mehr mit dem Spannungsvektor im Netz überein. Hieraus ergibt sich ein zusätzliches elektrisches Drehmoment, das sich dem Moment aus dem vorherigen Schwingungszustand der Welle überlagert. Hierbei können Momente auftreten, die die Lebensdauer der Turbinen-Generatorwelle ganz erheblich herabsetzen. Um Schaden am gesamten Turbosatz zu vermeiden, ist es daher unter Umständen notwendig, Teile der Turbinen-Generatorwelle auszubessern. Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie der richtige Zeitpunkt für eine derartige Maßnahme ermittelt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung für eine Einrichtung zur Lebensdauerüberwachung besteht dabei darin, daß zur Überwachung einer Turbinen-Generatorwelle der Generator&pannung und dem Generatorstrom propor-

tionale elektrische Größen an die Eingänge einer analogen Rechenschaltung angeschlossen sind, daß diese Rechenschaltung so aufgebaut ist, daß an ihrem Ausgang eine dem elektrischen Drehmoment im Luftspalt des Generators proportionale elektrische Größe auftritt, daß der analogen Rechenschaltung eine Nachbildungsschaltung für die Ermittlung der Drehmomente in einzelnen Abschnitten der Turbinen-Generatorwelle nachgeschaltet und über Analog-Digitalwandler mit einem Digitalrechner zur Umwandlung dieser Werte in der Lebensdauer proportionale Signale verbunden ist und daß eine Störungserfassungseinrichtung parallel zum Analog-Digitalwandler geschaltet und so ausgelegt ist, daß nur bei vorhandenem Extremwert eines Momentes in einem Wellenabschnitt der Analog-Digitalwandler einen digitalen Meßwert dem nachgeschalteten Digitalrechner zuführt. Eine Rechenschaltung, wie sie vorstehend zur Berechnung des Drehmoments benötigt wird, ist z. B. aus der DT-AS 18 06 769 bekannt.

Ein Blockschaltbild für die erfindungsgemäße Einrichtung zeigt F i g. 1. Eine Turbine 1 ist über eine Kupplung 2 und eine Turbinen-Generatorwelle 3 mit einem Generator 4 verbunden. Die elektrischen Anschlüsse des Generators 4 sind über eine Dreiphasenleitung 5 an einen Hochspannungstransformator 6 angeschlossen, dessen Hochspannungswicklung mit dem elektrischen Netz 7 verbunden ist. Eine analoge Rechenschaltung 8 ist über Stromwandler 9 und Spannungswandler 10 mit der Dreiphasenleitung 5 verbunden. Wie später noch im einzelnen beschrieben wird, erhält man in der Ausgangsleitung 11 der analogen Rechenschaltung 8 eine analoge elektrische Größe (Strom oder Spannung), die dem Momentanwert des Drehmomentes im Luftspalt des Generators 4 proportional ist.

Die Ausgangsleitung 11 ist an eine ebenfalls analog aufgebaute Nachbildungsschaltung 12 angeschlossen. In dieser Nachbildungsschaltung wird die Turbinen-Generatorwelle als Drehschwingungssystem nachgebildet. Dabei werden die einzelnen Teilturbinen der Generatorläufer und die Erregermaschine als Schwungmassen und die dazwischenliegenden Wellenabschnitte als Torsionsfedern aufgefaßt. Als zusätzliche Eingangsgröße ist der Nachbildungsschaltung 12 ein weiterer Meßwert aus dem Winkelregler 13 über die Meßwertzuleitung 14 zugeführt. Über die Meßwertzuleitung 14 wird der Nachbildungsschaltung 12 ein zusätzlicher Meßwert zugeführt. Die Nachbildungsschaltung 12 ermittelt einen dem Drehmoment der einzelnen Teilturbine proportionalen Wert. Wie ebenfalls noch beschrieben wird, entstehen an den Ausgangsleitungen 15 der Nachbildungsschaltung 12 elektrische Größen, die den Momenten in bestimmten Wellenabschnitten der Turbinen-Generatorwelle proportional sind.

Die Ausgangsleitungen 15 sind an Analog-Digitalwandler 16 angeschlossen und parallel dazu einer Störungserfassungseinrichtung 17 zugeführt, die bei Vorhandensein einer Störung ermittelt, wann ein Momentenmeßwert, der über die Ausgangsleitungen 15 dem Analog-Digitalwandler 16 zugeführt wird, ein Extremwert ist. Wird ein derartiger Extremwert erkannt, veranlaßt die Störungserfassungseinrichtung 17 die Übernahme und Umwandlung des anstehenden Analogwertes. Ein dem Analog-Digitalwandler 16 nachgeschalteter Digitalrechner 18 übernimmt diesen Wert, vergleicht ihn mit einer aus Erfahrungen gewonnenen nichtlinearen Kurve, die abhängig vom jeweils auftretenden maximalen Moment die Lebensdauer der Welle anzeigt, und wandelt damit den ihm zugeführten Drehmomentwert in Impulse um, die dem Verbrauch an Lebensdauer proportional sind. Die Impulse werden beispielsweise in einem dem Digitalrechner nachgeschalteten Zähler 19 gespeichert. An diesem Zähler kann, da die Gesamtlebensdauer bekannt ist, abgelesen werden, wieviel Prozent der Lebensdauer die Turbinen-Generatorwelle hinter sich hat und wann eine gründliche Inspektion oder Erneuerungen auf der Welle notwendig sind.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der analogen Rechenschaltung 8 ist in Fig.2a ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Ständerwicklung des Generators und in Fig.2b eine analoge Nachbildungsschaltung dargestellt, die es gestattet, aus der Klemmenspannung des Generators den im Luftspalt wirksamen Fluß für die Phase R zu ermitteln. Die Schaltungen für die anderen beiden Phasen S und T sind damit identisch. Die Spannung Ur in F i g. 2a hat einen Strom zur Folge, der durch den ohmschen Widerstand R der Ständerwicklung sowie durch den induktiven Streuwiderstand Lr und durch die induktiven verketteten Streuwiderstände Lsr und Ltr fließt. An diesen Widerständen entsteht damit ein Spannungsabfall, der zur Klemmenspannung Ur addiert die für den Luftspaltfluß wirksame Spannung Er nach Gleichung

Er =

dt

+ Lrs

dt

+ L

RT '

dir dt

ergibt.

Wie F i g. 2b zeigt, kann man zur Lösung der Gleichung Addierglieder 20 bis 23 in Reihe schalten und so die einzelnen Summanden aus der obigen Gleichung addieren. Am Ausgang des Addiergliedes 23 erhält man dann die für den Luftspaltfluß wirksame Spannung Er. Diese kann man auf den Eingang eines Integrators 24 geben, an dessen Ausgang dann eine dem Luftspaltfluß Φ.Ρ proportionale Größe auftritt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform dieser Nachbildungsschaltung zeigt F i g. 3. Hier ist im Anschluß an das erste Addierglied 20 bereits der Integrator 24 geschaltet. Im Unterschied zu Fig.2b werden die Phasenleiterströme Ir, Is und It vor der Multiplikation mit den induktiven Widerständen Ir, Lrs und Lrt nicht mehr differenziert. Da die Addierglieder 21 bis 23 dem Integrator 24 nachgeschaltet sind, erhält man an der Ausgangsleitung 25 wiederum eine elektrische Große, die dem Luftspaltfluß Φ ρ proportional ist.

Zusätzlich zu diesen Schaltungen, von denen ebenfalls pro Phase eine vorgesehen ist, ist in der analogen Rechenschaltung 8 eine Schaltung gemäß F i g. 5 enthalten. Eingangsgrößen für zwei Koordinatenwandler 26 und 27 sind die Ströme in den drei Phasenleitern R, S und T sowie die aus den Schaltungen nach Fig.3 gewonnenen elektrischen Größen, die den Flüssen Φ«, <2>sund Φ r proportional sind. In den Koordinatenwandlern 26 und 27 werden die Vektoren der Ströme bzw. Flüsse in drei Phasenleitungen R, S und T vektoriell addiert. Als Ergebnis erhält man im Koordinatenwandler 26 den in Fig.4 mit Θ bezeichneten Vektor. Die Addition der Flußvektoren ergibt den mit Φ bezeichneten Vektor in Fig.4. Der Koordinatenwandler bildet die Koordinaten dieser Vektoren in Richtung der i?-Achse (Abszisse) und senkrecht dazu. Die Koordinate in der R- Achse ist mit K 2 und die Koordinate senkrecht

dazu mit K 2 bezeichnet. Dementsprechend sind die Komponenten in Richtung der Koordinate K1 mit dem Index 1 und die Komponenten» in Richtung der Koordinate 2 mit dem Index 2 versehen. Das im Luftspalt des Generators entstehende elektrische Moment M_e/ ergibt sich dann aus dem vektoriellen Produkt der Vektoren θ und Φ. Damit gilt folgende Gleichung:

_ε/=Φ χ Θ=Φ

Diese Gleichung läßt sich umformen in die Gleichung:

Φ ■

— Φ ■ Ocosasinji

Gemäß dieser Gleichung sind die Ausgänge der Koordinatenwandler 26 und 27 in Fig.5 an Multiplizierglieder 28 und 29 angeschlossen. Die Ausgänge dieser Multiplizierglieder sind über eine Widerstandsschaltung aus Widerständen 30 mit verschiedenen Vorzeichen einem Addierverstärker 31 zugeführt, an dessen Ausgangsleitung 11 damit eine elektrische Größe auftritt, die dem elektrischen Moment M₆/ proportional ist.

In F i g. 6 ist die Nachbildungsschaltung 12 dargestellt, mit der die Momente in den einzelnen Abschnitten der Turbinen-Generatorwelle zu ermitteln sind. Die Turbinen-Generatorwelle ist in F i g. 7 schematisch angedeutet. Die Turbine 1 in F i g. 7 besteht aus einem Hochdruckteilturbine, einer Mitteldruckturbine und zwei Niederdruckteilturbinen. Der Läufer des Generators 4 und der Läufer der Erregermaschine 32 sind ebenfalls mit der Turbinen-Generatorwelle verbunden. Die Turbinen- und Generatorläufer werden als Schwungmassen Si bis Se aufgefaßt. Diese Schwungmassen haben z. B. gegenüber der Horizontalen einen Winkel, der mit γι bis γβ bezeichnet wird.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der in F i g. 6 dargestellten Nachbildungsschaltung wird angenommen, daß am Ausgang des Integrators 33 ein Wert vorhanden ist, der dem Winkel }>2 entspricht (Winkelstellung des Läufers des Generators 4). Diese Winkelstellung wird auf zwei Differenzglieder 34 und 35 gegeben.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird angenommen, daß am Ausgang des Integrators 36 der Winkel γι der Erregermaschine ansteht. Dann wird im Differenzglied 34 die Differenz aus den Winkeln γ ι und γζ gebildet. Um diesen Betrag ist der Abschnitt der Turbinen-Generatorwelle zwischen Generator und Erregermaschine verdreht. Dieser Wellenabschnitt hat eine Federkonstante, die mit Fi, ₂ bezeichnet ist. Im Multiplizierer 37 wird aus dem Winkel γι —γζ und der Federkonstanten Fj, 2 dieses Wellenabschnitts das Moment gebildet. Am Ausgangspunkt 38 des Multiplizierers 37 liegt also eine Meßgröße vor, die dem Moment dieses Wellenabschnitts proportional ist

Diese Meßgröße wird auf Addierglieder 39 und 40 gegeben. Dem Addierglied 39 wird unter anderem das elektrische Moment Met über die Leitung 11 zugeführt Außerdem erhält das Addierglied 39 vom Ausgangspunkt 41 eine Meßgröße, die dem Moment des Wellenabschnitts zwischen den Schwungmassen 52 und S3 proportional ist Diese drei Momente wirken auf den Läufer des Generators 4. Der Ausgang des Addiergliedes 39 ist an einen Integrator 42 geführt der das resultierende Moment über die Zeit integriert so daß am Ausgang des Integrators 42 eine elektrische Meßgröße vorhanden ist die der Winkelgeschwindigkeit des Generatorläufers proportional ist. Der Ausgang des Integrators 42 ist an den Eingang des Integrators 33 angeschlossen. Damit entsteht am Ausgang des Integrators 33 eine Meßgröße, die dem Integral der Winkelgeschwindigkeit des Generatorläufers, d. h. der Winkelstellung γζ des Generators proportional ist. Ein Dämpfungsglied 43 ist in eine Rückführleitung des Integrators 42 eingeschaltet Dieses wird so eingestellt daß die dadurch bedingte Dämpfung am Ausgang des Integrators 42 der Dämpfung des entsprechenden Wellenabschnitts der Turbinen-Generatorwelle entspricht.

In entsprechender Weise ergeben sich die Momente Mz, 3 am Ausgangspunkt 41, M3, 4 am Ausgangspunkt 44 usw. Zur Berücksichtigung der auf die einzelnen Teilturbinen einwirkenden Momente, die auf die Läufer der Turbine durch den sie durchströmenden Dampf übertragen werden, ist die Ausgangsleitung 14 des Winkelreglers über Multiplikatoren 45, 46 usw. auf die entsprechenden Addierglieder 47,48 usw. geschaltet In diesen Multiplikatoren 45, 46 wird der Ausgangswert des Winkelreglers 13 mit konstanten Anpassungsfaktoren Λι, Ai usw. multipliziert Diese Anpassungsfaktoren ergeben sich aus der Menge und dem Betriebsdruck des den einzelnen Teilturbinen zugeführten Dampfes. Ein weiterer Multiplikator 49 berücksichtigt das auf die Erregermaschine 32 wirkende Drehmoment. Er ist zwischen die Ausgangsleitung 11 und das Addierglied 40 geschaltet. Die Anpassungsmultiplikatoren sind mit A und die Multiplikatoren für die Dämpfungsglieder mit D bezeichnet

Die so ermittelten Momente Mz, 3, M%,a, Mt, 5 usw. werden, wie F i g. 8 zeigt, auf Analog-Digitalwandlerstufen 50 gegeben, die innerhalb des Analog-Digitalwandlers 16 angeordnet sind. Die Analog-Digitalwandlerstufen sind ausgangsseitig an eine Ablaufsteuereinrichtung 51 angeschlossen. Die Ablauf steuereinrichtung 51 erhält von der Störungserfassungseinrichtung 17 Signale zur Übernahme eines am Eingang einer Analog-Digitalwandlerstufe vorhandenen Moments und gibt dieses übernommene und in digitale Form umgesetzte Moment über die Ausgangsleitung 52 an einen Digitalrechner 18 weiter. Dieser Digitalrechner 18 hat in Tabellenform die Lebensdauerkennlinie gemäß Fig.9 gespeichert und gibt bei Übernahme eines Momentenwerts an einen nachgeschalteten elektrochemischen Zähler 53, an einen Blattschreiber 54 oder an einen weiteren Digitalrechner 55 Impulse ab, die gemäß der Kurve nach F i g. 9 umgesetzt und dem Verbrauch an Lebensdauer proportional sind.

F i g. 9 zeigt die zulässigen Lastwechsel N bei einem gegebenen Moment Δ M. Dabei ist mit Δ Mein Moment bezeichnet, das über das dauernde von der Welle zu ertragende Moment hinausgeht Der Digitalrechner 18 gibt an das ihm nachgeschaltete Gerät um so mehr Impulse ab, je kleiner bei einem auftretenden Moment gemäß der Kurve nach F i g. 9 die zulässige Lastwechselzahl ist.

Parallel zum Analog-Digitalwandler 16 ist die Störungserfassungseinrichtung 17 geschaltet. Die Eingangsgrößen, die die Momente in den einzelnen Wellenabschnitten darstellen, sind über Differenzierglieder 56 und diesen nachgeschalteten Grenzwertmelder 57 an die Ablaufsteuereinrichtung 51 angeschlossen. Die Grenzwertmelder 57 sind dabei so ausgebildet, daß sie einen Impuls abgeben, wenn das Ausgangssignal des vorgeschalteten Differenziergliedes 56 gegen Nu! geht, also ein Extremwert vorliegt Die Ausgänge der Differenzierglieder sind außerdem an ein Gedächtnis 58

. angeschlossen, das immer dann für eine bestimmte Zeit gesetzt wird, wenn die Ausgangsgröße an einem Differenzierglied 56 einen vorgegebenen Betrag überschreitet. Der Ausgang des Gedächtnisses 58 ist ebenfalls an die Ablaufsteuereinrichtung 51 geführt. Die Ablaufsteuereinrichtung 51 ist so eingerichtet, daß nur bei Vorhandensein eines Ausgangsimpulses am Gedächtnis 58 ein auftretender Extremwert zur Abspeicherung eines Momentenwerts im Digitalrechner 18

verwendet wird. Dadurch ist sichergestellt, daß nur die Amplituden in den Wellenabschnitten auftretenden Momenten dem Digitalrechner 18 zugeführt werden, die eine nennenswerte Größe erreichen. Erst auf diese Weise ist es möglich, mit dem zur Verfügung stehenden Speicherplatz in einem Digitalrechner auszukommen. Hierin liegt ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

609 552/391

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Überwachung der Lebensdauer eines Maschinenteils unter Ermittlung des für die Belastung relevanten Betriebsparameters, der in einem nichtlinearen Funktionsgenerator in der Lebensdauer proportionale Signale umgewandelt wird, die dann zur Bestimmung der Restlebensdauer aufsummiert und gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung einer Turbinen-Generatorwelle der Generatorspannung und dem Generatorstrom proportionale elektrische Größen an die Eingänge einer analogen Rechenschaltung (8) angeschlossen sind, daß diese Rechenschaltung so aufgebaut ist, daß an ihrem Ausgang eine dem elektrischen Drehmoment im Luftspalt des Generators proportionale elektrische Größe auftritt, daß der analogen Rechenschaltung eine Nachbildungsschaltung für die Ermittlung der Drehmomente in einzelnen Abschnitten der Turbinen-Generatorwelle nachgeschaltet und über Analog-Digitalwandler mit einem Digitalrechner zur Umwandlung dieser Werte in der Lebensdauer proportionale Signale verbunden ist, und daß eine Störungserfassungseinrichtung parallel zum Analog-Digitalwandler (16) geschaltet und so ausgelegt ist, daß nur bei vorhandenem Extremwert eines Momentes in einem Wellenabschnitt der Analog-Digitalwandler (16) einen digitalen Meßwert dem nachgeschalteten Digitalrechner (18) zuführt.

2. Einrichtung zur Überwachung der Lebensdauer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Rechenschaltung (8) aus drei Schaltungen besteht, in denen jeweils ein erstes Addierglied (20) die Klemmenspannung des Generators (4) einer Phase und den Spannungsabfall im ohmschen Widerstand der Ständerwicklung zugeführt erhält, in dem der Ausgang des ersten Addiergliedes (20) über einen Integrator an weitere Addierglieder (21—23) zum Zuaddieren der Spannungsabfälle in den induktiven Widerständen der Ständerwicklung angeschlossen ist und daß die Ströme und die Ausgänge dieser Schaltungen sowie stromproportionale Meßwerte nach vektorieller Addition und Umwandlung in Koordinaten eines senkrechten Koordinatensystems (K 1, K 2 F i g. 5) über Multiplizierer (28, 29) einem Addierverstärker (31) zur Bildung des elektrischen Drehmomentes im Luftspalt des Generators (4) zugeführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbildungsschaltung (12) zur Bildung des Drehmomentes in jedem Wellenabschnitt aus einem Addierglied (39) für die auf die einzelne Schwungmasse einwirkenden Momente, einem diesen nachgeschalteten Integrator (42) mit im Rückführkreis angeordneten Dämpfungsglied (43) und einem dem Ausgang des Integrators (42) nachgeschalteten weiteren Integrator (33) zur Bildung der Winkelstellung der jeweiligen Schwungmasse besteht und daß die Ausgänge der Integratoren (33, 36), an denen Winkelstellungen abgreifbar sind, über je ein Differenzglied (34) und einen Multiplizierer (37) zur Bildung des Produktes aus der Federkonstante (F^₂) des Wellenabschnittes und dem Differenzwinkel der benachbarten Schwungmassen (Su S₂) an die zugehörigen Addierglieder (39, 40) angeschlossen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Analog-Digitalwandler (16) eine Störungserfassungseinrichtung (17) angeordnet ist, die jeweils aus der Reihenschaltung eines Differenziergliedes (56) und eines beim Wert Null ansprechenden Grenzwertmelders (57) besteht, so daß nur Extremwerte der ermittelten Momente (Mz3, M34) vom Digitalrechner (18) übernommen werden.