Ermüdungsschäden bei Komponenten: Die Auswirkungen von Schwingungen verstehen

Bei den verschiedenen Typen von Dampfturbinen-Generatoreinheiten sind die Formen sowohl der dynamischen als auch der statischen Komponenten kompliziert und variabel, und ihre Verformung (Amplitude) kann nicht durch eine einfache Funktion der dynamischen Spannung beschrieben werden.

Daher ist es falsch, die Ermüdung dieser Bauteile allein anhand der Schwingungsamplitude zu bestimmen.

Dennoch lassen sich aus der statistischen Analyse einer großen Anzahl von Einsatzerfahrungen von Einheiten einige Erkenntnisse gewinnen.

1. Bedeutung von übermäßigen Vibrationen

Was die Lageramplitude des Dampfturbinengenerators betrifft, so gibt es drei Bedeutungen

1. Mehr als 50 μm und weniger als 120 μm.

Vor Ort ist es üblich, dass das Gerät bei der Nenndrehzahl zu stark vibriert.

2. Mehr als 120 μm und weniger als 300 μm.

Bei Geräten mit einer Nenndrehzahl von 3000 U/min kann ein längerer Betrieb mit der Arbeitsdrehzahl zu übermäßigen Vibrationen führen.

Bei einigen Geräten kann es beim Überschreiten der kritischen Drehzahl des Rotors zu häufigen Starts und Stopps kommen.

3. Mehr als 300 μm.

Wenn die Schwingungen durch niederfrequente Ölfilmschwingungen und subharmonische Resonanzen im Generatorlager verursacht werden, können sie kurzfristig keine nennenswerten Schäden verursachen.

Handelt es sich jedoch um eine Grundfrequenzschwingung, kann sie bei der Nenndrehzahl zu schweren und schädlichen Unfällen führen, z. B. zu einer erheblichen Wellenverbiegung und zu Schäden am Wellenstrang.

Tritt die Vibration bei der kritischen Drehzahl des Hochdruckrotors in der Turbine auf, kann sie auch zu Wellenbiegeunfällen führen.

Tritt die Vibration bei der kritischen Drehzahl des Rotors des Niedergeschwindigkeitsgenerators auf, kann der unausgewuchtete Rotor zu einer Zunahme der Vibration des Hochdruckrotors bei der kritischen Drehzahl führen, was ein Reiben der Welle verursacht und verschlimmert und schließlich zu einem Unfall mit Wellenbiegung führt, selbst wenn der Generator nicht beschädigt wird.

Diese drei Arten von Vibrationen werden im Allgemeinen als übermäßige Vibrationen, starke Vibrationen bzw. große Vibrationen bezeichnet.

Im Hinblick auf die Ermüdung von Bauteilen durch Vibrationen sind nur übermäßige Vibrationen und starke Vibrationen von Bedeutung, da große Vibrationen während des Langzeitbetriebs des Geräts nicht auftreten können.

Handelt es sich bei der Schwingung um die Grundfrequenz, kann sie, auch wenn sie nur kurzzeitig auftritt, zu einem schweren Schwingungsunfall führen, bevor eine Ermüdung der Bauteile eintritt.

2. Zusammenhang zwischen Amplitudenwert und Bauteilermüdung

Statistiken zufolge, die auf der Grundlage umfangreicher und langjähriger Betriebserfahrungen gesammelt wurden, steht die Ermüdung von Bauteilen aufgrund von Vibrationen in direktem Zusammenhang mit dem Amplitudenwert. Es wurden die folgenden Regeln aufgestellt:

1. Wenn die Schwingungsfrequenz bei einer Betriebsgeschwindigkeit von 3000 U/min kleiner oder gleich der Grundfrequenz ist und die maximale Amplitude von Lagern oder Bauteilen in drei Richtungen weniger als 120 Mikrometer beträgt, treten bei diesen Bauteilen unabhängig von ihrer Form oder Struktur während des Langzeitbetriebs keine Ermüdungsschäden auf.

2. Bei Teilen mit hoher Steifigkeit, wie z. B. Lagerträgern, treten bei einer maximalen Amplitude in einer Richtung von mehr als 150 Mikrometern während des Langzeitbetriebs Ermüdungsschäden an Verbindungen mit anderen Teilen auf, wie z. B. an den Befestigungsschrauben des Lagerträgers und an der Sekundärverpressung.

3. Bei Teilen mit geringer Steifigkeit, wie z. B. dem Enddeckel eines Generatorspiegels, bei dem das Rohr nicht direkt mit dem Lagersitz verbunden ist, kommt es bei Schwingungen in einer Richtung von mehr als 250 Mikrometern nach längerem Betrieb zu Ermüdungsschäden an der Verbindung zwischen diesen Teilen und Teilen mit hoher Steifigkeit, wie z. B. der Verbindung zwischen dem Rohr und dem Lagersitz.