本發(fā)明涉及一種用于運行具有軸系的機械設備的方法。

背景技術(shù)：

機械設備，例如用于產(chǎn)生電流的發(fā)電廠，具有發(fā)電機和至少一個渦輪機，其中渦輪機驅(qū)動發(fā)電機。對此，渦輪機和發(fā)電機設置在共同的軸系上?？尚械氖牵涸谳S系中設有聯(lián)軸器，以便將各個渦輪機耦聯(lián)到軸系中或者與軸系脫耦。

在發(fā)電廠運行時，發(fā)電機將電流饋入到電網(wǎng)中。電網(wǎng)中的電故障能夠引起：經(jīng)由發(fā)電機激發(fā)軸系的扭轉(zhuǎn)振動。在最不利的情況下，在此能夠造成軸系的固有頻率中的一個的激發(fā)。在固有頻率下的激發(fā)導致軸系的高的扭轉(zhuǎn)的應力負荷，這能夠?qū)е陆档推鋲勖蛐纬蓱α鸭y?？深A期到：在電網(wǎng)中在未來更頻繁地出現(xiàn)故障情況，因為在能量過渡計劃期間電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

通常，測量軸系的負荷，其中在軸系的多個軸向位置處以高分辨率測量其轉(zhuǎn)速。隨后，從不同的軸向位置處的轉(zhuǎn)速差中推導出軸系的負荷。然而，在該方法中，測量技術(shù)和所屬的評估是耗費的。替選地可行的是：測量在發(fā)電廠的電能引出時的振動。然而，對于在能量引出時識別潛在激發(fā)的振動的情況，不能夠得出軸系的實際負荷的結(jié)論。

DE 40 32 299 A1描述了一種用于監(jiān)控可轉(zhuǎn)動的構(gòu)件的方法，其中與時間相關(guān)地測量構(gòu)件的轉(zhuǎn)動位置和相對于構(gòu)件的徑向方向的構(gòu)件振動。EP 0 585 623 A2描述了一種用于及早識別旋轉(zhuǎn)軸中的裂紋的方法。DE 27 34 396 A1描述了一種用于監(jiān)控軸處的扭轉(zhuǎn)振動的方法，其中測量發(fā)電機的瞬時功率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：實現(xiàn)一種用于運行具有軸系的機械設備的方法，其中能夠通過扭轉(zhuǎn)振動簡單地檢測軸系的負荷。

根據(jù)本發(fā)明的用于運行具有軸系的機械設備的方法具有如下步驟：a)以計算的方式確定軸系的至少一個扭轉(zhuǎn)振動模式的固有頻率，并且以計算的方式確定軸系的在扭轉(zhuǎn)振動模式的振動周期期間出現(xiàn)的機械應力；b)借助對于相應的扭轉(zhuǎn)振動模式以計算的方式確定的應力，對于每個扭轉(zhuǎn)振動模式分別確定第一應力幅度和第二應力幅度之間的相互關(guān)系，所述第一應力幅度在軸系的易于形成應力損傷的位置處出現(xiàn)，所述第二應力幅度在軸系的測量部位處出現(xiàn)；c)對于該位置確定最大的第一應力幅度；d)借助相互關(guān)系，對于測量部位確定最大的第二應力幅度，所述最大的第二應力幅度相應于最大的第一應力幅度；e)在軸系旋轉(zhuǎn)期間，在測量部位處與時間相關(guān)地測量軸系的應力；f)從所測量的應力中確定每個固有頻率下的應力幅度；g)在如下情況下輸出信號，即在從所測量的應力中確定的應力幅度在所述固有頻率中的一個固有頻率下達到最大的第二應力幅度的情況下。

通過從以計算的方式確定的應力中確定在測量部位和位置處出現(xiàn)的應力幅度之間的相互關(guān)系，能夠有利地確定在軸系的對于測量無法達到的測量部位處的應力幅度。為了確定所述部位處的應力幅度，軸系處的唯一的測量部位是足夠的，其中能夠任意地選擇測量部位。由此，能夠有利簡單地執(zhí)行該方法。通過對于每個扭轉(zhuǎn)模式分別確定相互關(guān)系，能夠有利地以高的精度確定所述位置處的應力幅度。

關(guān)于信號能夠采取一定措施，以便降低軸系的扭轉(zhuǎn)振動。如果機械設備為用于將電流饋入電網(wǎng)中的發(fā)電廠，那么例如能夠發(fā)生從電網(wǎng)中的激發(fā)和軸系的扭轉(zhuǎn)振動之間的去同步。這例如能夠通過如下方式進行，即通過一個渦輪機或多個渦輪機與軸系脫耦改變其固有頻率。也可行的是：通過切斷電導線將發(fā)電廠與電網(wǎng)脫耦。

優(yōu)選地，在步驟e)中借助于磁致伸縮的傳感器和/或借助于應變計測量應力，其中借助于應變計測量的應力借助于遙測技術(shù)傳輸。磁致伸縮的傳感器借助于發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻磁場并且軸系的表面由磁場穿過。磁致伸縮的傳感器具有一個或多個接收線圈，所述接收線圈與發(fā)射線圈形成磁路并且專門設置用于檢測扭轉(zhuǎn)應力。借助發(fā)射線圈和接收線圈的專門的布置能夠確定軸系表面處的磁化率。因為體部的磁化率由于維拉里效應與其機械應力相關(guān)，所以由接收線圈檢測的信號也與軸系表面的機械應力相關(guān)。磁致伸縮的傳感器輸出模擬輸出信號，所述模擬輸出信號與軸系的扭轉(zhuǎn)應力成比例。通過輸出信號與扭轉(zhuǎn)應力的比例性，有利的是，數(shù)據(jù)處理僅是略微計算密集的，由此能夠簡單且快速地執(zhí)行該方法。磁致伸縮的傳感器還有應變計直接地確定軸系的應力，由此同樣能夠簡單地執(zhí)行該方法。

優(yōu)選的是：在步驟f)中，借助于帶通濾波器對在步驟e)中所測量的應力進行濾波，所述帶通濾波器允許在固有頻率周圍設置的頻率帶通過，和/或執(zhí)行對步驟e)中所測量的應力的傅里葉變換，尤其快速傅里葉變換。因此，能夠有利地且簡單地確定不同的扭轉(zhuǎn)振動模式的應力幅度。在使用帶通濾波器的情況下，在步驟g)中，在達到最大的第二應力幅度之后短時間內(nèi)已經(jīng)輸出信號。在應用傅里葉變換或快速傅里葉變換的情況下，在計算結(jié)束之后輸出信號。

優(yōu)選的是：在步驟e)中測量多個設置在軸系的不同的軸向位置中的測量部位處的應力。在此，能夠通過在多個測量部位中確定的固有頻率的算數(shù)平均值實現(xiàn)固有頻率的高的測量精度。此外能夠發(fā)生：測量部位中的一個測量部位與扭轉(zhuǎn)振動模式中的一個扭轉(zhuǎn)振動模式的振動節(jié)點一致，由此借助該測量部位扭轉(zhuǎn)振動模式是不可見的。通過設置多個測量部位，對于一個扭轉(zhuǎn)振動模式而言全部振動節(jié)點位于所述測量部位上的概率是極其低的。因此，能夠以高的概率檢測全部相關(guān)的扭轉(zhuǎn)振動模式。

在步驟f)中，優(yōu)選對于所選擇的扭轉(zhuǎn)振動模式僅考慮如下扭轉(zhuǎn)振動模式測量部位，所述測量部位對于所選擇的扭轉(zhuǎn)振動模式而具有在步驟a)中以計算的方式確定的最高的機械應力。由此，有利地在確定應力幅度時實現(xiàn)高的信噪比。優(yōu)選地，在步驟f)中將所述應力幅度與固有頻率中的一個固有頻率相關(guān)聯(lián)，其中形成在多個測量部位處的、在步驟f)中確定的應力幅度和/或振動相位的實驗比，形成在多個測量部位處的以計算的方式確定的應力幅度和/或振動相位的計算比，并且將實驗比與計算比進行比較。通過將實驗比與計算比進行比較能夠有利地以高的概率正確地確定其中軸系發(fā)生振動的扭轉(zhuǎn)振動模式。

優(yōu)選的是，在步驟a)中以計算的方式確定的固有頻率低于或等于所述軸系的轉(zhuǎn)動頻率的2.5倍，或者在所述機械設備是用于供電的發(fā)電廠且電網(wǎng)頻率高于所述轉(zhuǎn)動頻率的情況下，在步驟a)中以計算的方式確定的固有頻率低于或等于所述電網(wǎng)頻率的2.5倍。這些固有頻率引起軸系的尤其強的應力負荷，使得所述頻率的監(jiān)控是尤其有利的。在步驟a)中，優(yōu)選在以計算的方式確定固有頻率和機械應力時，考慮軸系在機械設備運行時所具有的離心力負荷。因此，能夠以高的精度確定第一應力幅度。在步驟b)中確定的在第一應力幅度和第二應力幅度之間的相互關(guān)系優(yōu)選是比例關(guān)系。

在步驟c)中，優(yōu)選對于所述位置確定附加的最大的第三應力幅度，所述附加的最大的第三應力幅度高于最大的第一應力幅度，在步驟d)中借助所述相互關(guān)系對于所述測量部位確定最大的第四應力幅度，所述最大的第四應力幅度相應于最大的第三應力幅度，并且在步驟g)中，在如下情況下輸出停止信號：即在步驟f)中確定的應力幅度在固有頻率下達到最大的第四應力幅度時，其中停止信號觸發(fā)機械設備的關(guān)閉。因此，能夠有利地自動抑制軸系的過高的應力負荷。

優(yōu)選地，所述方法具有如下步驟：d1)對在軸處的磁致伸縮的傳感器和/或應變計進行粗校準，所述軸借助于測試機加載有限定的應力。優(yōu)選的是：機械設備具有發(fā)電機，并且執(zhí)行具有如下步驟的方法：d2)在軸系旋轉(zhuǎn)時，利用在測量部位處確定的應力對磁致伸縮的傳感器和/或應變計進行精校準，利用由發(fā)電機輸出的功率確定所述應力。能夠從由發(fā)電機輸出的功率中推導出轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機將轉(zhuǎn)矩施加到軸系上。隨后從轉(zhuǎn)矩推導出在軸系中出現(xiàn)的應力。因此能夠有利地在真實的軸系處且在機械設備運行中進行校準。

優(yōu)選的是：在步驟b)中對于軸系的易于形成應力損傷的多個位置確定相互關(guān)系，在步驟c)中對于每個位置確定相應的最大的第一應力幅度，在步驟d)中對于每個位置確定相應的最大的第二應力幅度，并且在步驟g)中在如下情況下輸出信號，即在達到最大的第二應力幅度中的一個時。因此能夠有利地借助僅一個唯一的測量部位監(jiān)控軸系的多個關(guān)鍵部位。在此，不同的位置處的最大的第一應力幅度能夠是彼此相同的或不同的。也可行的是：對于多個位置確定最大的第三應力幅度，其中所述最大的第三應力幅度也能夠是彼此相同的或不同的。

優(yōu)選的是：在軸系上的測量部位設置在軸系的露出的部段的區(qū)域中，設置在軸系的測量技術(shù)可達到的部段的區(qū)域中和/或設置在以計算的方式確定的應力最大值的區(qū)域中。所述位置優(yōu)選設置在軸承的、聯(lián)軸器的和/或葉根的區(qū)域中。在此，有利的是如下位置，所述位置尤其易受應力損傷。優(yōu)選地，在步驟a)中借助于有限元法以計算的方式確定固有頻率和應力。

附圖說明

下面，根據(jù)所附的示意圖詳細闡述根據(jù)本發(fā)明的方法。其示出：

圖1示出具有四個以計算的方式確定的扭轉(zhuǎn)模式的軸系的側(cè)視圖，

圖2示出貫穿具有磁致伸縮的傳感器的軸系的橫截面圖，和

圖3示出示例的方法的流程圖。

具體實施方式

如從圖1中可見：機械設備1具有發(fā)電機3和至少一個渦輪機，其中發(fā)電機3和渦輪機設置在共同的軸系2上。機械設備1也能夠具有多個軸系，其中該方法能夠借助每個軸系執(zhí)行。根據(jù)圖1的機械設備具有第一渦輪機4、第二渦輪機5、第三渦輪機6和第四渦輪機21，所述渦輪機以所述順序以距發(fā)電機3增加的間距設置在發(fā)電機3的軸向側(cè)上，軸系2具有第一測量部位7、第二測量部位8、第三測量部位9、第四測量部位10和第五測量部位11，所述測量部位設置在軸系2的不同的且對于測量技術(shù)可到達的軸向位置。

圖1同樣示出以計算的方式確定的扭轉(zhuǎn)振動模式。在此示出四個最低頻率的扭轉(zhuǎn)振動模式14至17，其中第一扭轉(zhuǎn)振動模式14具有最低的固有頻率，第二扭轉(zhuǎn)振動模式15具有第二低的固有頻率，第三扭轉(zhuǎn)振動模式16具有第三低的固有頻率并且第四扭轉(zhuǎn)振動模式17具有第四低的固有頻率。在此，四個固有頻率低于軸系的轉(zhuǎn)動頻率的2.5倍或者電網(wǎng)頻率的2.5倍，這根據(jù)這兩個頻率中的較大者來確定。每個扭轉(zhuǎn)振動模式14至17通過相應的繪圖描述，在所述繪圖中在橫坐標12上繪制軸系2的軸向位置，并且在縱坐標13上繪制軸系的旋轉(zhuǎn)角。因為旋轉(zhuǎn)角的梯度與機械應力成比例，所以能夠通過形成旋轉(zhuǎn)角的梯度以計算的方式確定機械應力。也可行的是：借助于有限元法確定機械應力。

在該方法中識別軸系2的至少一個易于形成應力損傷的位置。應力損傷能夠是應力裂紋和/或強行斷裂。所述位置例如能夠位于軸承的、聯(lián)軸器的和/或葉根的區(qū)域中。對于每個位置確定最大的第一應力幅度，其中所述最大的第一應力幅度選擇成，使得其在機械設備正常運行中不被達到，其中在所述機械設備中不出現(xiàn)共振干擾。此外，最大的第一應力幅度選擇成，使得在達到最大的第一應力幅度時在所述位置處尚未出現(xiàn)應力損傷。在此，最大的第一應力幅度對于全部扭轉(zhuǎn)振動模式14至17是相同的。也可行的是：為所述位置確定最大的第三應力幅度，所述最大的第三應力幅度大于最大的第一應力幅度。在此，最大的第三應力幅度選擇成，使得在達到最大的第三應力幅度時在軸系上尚未出現(xiàn)應力損傷。

根據(jù)以計算方式確定的應力，為每個扭轉(zhuǎn)振動模式確定所述位置處的應力幅度和至少一個測量部位7至11處的應力幅度之間的相互關(guān)系，其中相互關(guān)系是比例。根據(jù)相互關(guān)系，能夠為測量部位7至11確定最大的第二應力幅度，其中當在該位置處出現(xiàn)最大的第一應力幅度時，在測量部位7至11處出現(xiàn)最大的第二應力幅度。根據(jù)相互關(guān)系也能夠為測量部位7至11確定最大的第四應力幅度，其中當在該位置處出現(xiàn)最大的第三應力幅度時，在測量部位7至11處出現(xiàn)最大的第四應力幅度。

軸系2的位于徑向外部的表面的機械應力在每個測量部位7至11處分別借助至少一個磁致伸縮的傳感器18來測量。出于冗余原因，在每個測量部位7至11處能夠設有多個磁致伸縮的傳感器。磁致伸縮的傳感器18具有發(fā)射線圈，借助所述發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場。軸系2的表面由磁場穿過。磁致伸縮的傳感器18具有一個或多個接收線圈，所述接收線圈連同發(fā)射線圈和軸系2的被穿通的表面適當設置在磁路中，使得借此能夠確定軸系2的表面的磁化率。由于維拉里效應，軸系2的磁化率與其機械應力相關(guān)。由磁致伸縮的傳感器輸出的信號在此與磁場的扭轉(zhuǎn)應力成比例。如在圖1可見，勵磁線圈和接收線圈集成在磁致伸縮的傳感器18的測量頭19中。在測量頭19和軸系2之間設置有氣隙20，由此能夠借助磁致伸縮的傳感器18無接觸地執(zhí)行該方法。

在該方法中，借助于磁致伸縮的傳感器18以時間分辨的方式測量機械應力。所測量的應力于是能夠借助于帶通濾波器來濾波，所述帶通濾波器允許在扭轉(zhuǎn)振動模式的固有頻率周圍設置的頻率帶通過。替選地可行的是：所測量的應力借助于傅里葉變換、尤其快速傅里葉變換來評估。一旦該被濾波的應力或者借助于傅里葉變換獲得的應力幅度達到或超過最大的第二應力幅度，那么輸出信號。對于固有頻率彼此接近的情況，會需要設有帶通濾波器，所述帶通濾波器對于多個扭轉(zhuǎn)振動模式允許固有頻率通過。在該情況下，當被濾波的應力達到或超過多個扭轉(zhuǎn)振動模式的最大的第二應力幅度中的最低的應力幅度時，就輸出信號。對于設有最大的第四應力幅度的情況，能夠在如下情況下關(guān)閉機械設備1：被濾波的應力達到或超過最大的第四應力幅度。

對于特定的扭轉(zhuǎn)振動模式14至17可行的是：僅考慮單個的測量部位7至11。在此，能夠考慮如下測量部位7至11，所述測量部位對于特定的扭轉(zhuǎn)振動模式14至17具有以計算方式確定的最高的應力，以便實現(xiàn)高的信噪比。對此在圖1中可行的是：對于每個扭轉(zhuǎn)振動模式14至17識別如下測量部位7至11，所述測量部位具有以計算方式確定的最高的應力。在圖1中，這例如對于第一扭轉(zhuǎn)振動模式14是第三測量部位9，對于第二扭轉(zhuǎn)振動模式15是第三測量部位9，對于第三扭轉(zhuǎn)振動模式16是第二測量部位8和對于第四扭轉(zhuǎn)振動模式17是第五測量部位11。

同樣可行的是：在多個測量部位7至11處測量的應力用于識別其中軸系2發(fā)生振動的扭轉(zhuǎn)振動模式14至17。對此，對于每個扭轉(zhuǎn)振動模式14至17形成形式的計算比A_r1:A_r2:…:A_rn，其中A_rx是在第x測量部位處的以計算方式確定的應力幅度并且n是測量部位的數(shù)量。從由測量確定的應力幅度中形成形式的實驗比A_e1:A_e2:…:A_en，其中A_ex是在第x測量部位處的由測量確定的應力幅度。通過比較計算比與實驗比，即使當不同的扭轉(zhuǎn)振動模式的固有頻率彼此接近時，也能夠單義地關(guān)聯(lián)其中軸系2發(fā)生振動的扭轉(zhuǎn)振動模式。

圖3說明方法的流程圖。在步驟a中執(zhí)行轉(zhuǎn)子動態(tài)計算，在所述計算中對于軸系2的至少一個扭轉(zhuǎn)振動模式以計算的方式確定固有頻率，并且以計算的方式確定軸系2的在扭轉(zhuǎn)振動模式的振動周期期間出現(xiàn)的機械應力。在步驟b中確定三個極限值σ_STORE、σ_W和σ_A，其中σ_STORE<σ_W<σ_A，σ_W是最大的第二應力幅度，并且σ_A是最大的第四應力幅度。在此，例如可以選擇σ_STORE＝0.5*σ_A并且σ_W＝0.75*σ_A。

在步驟c中，測量軸系2的應力并且在步驟d中示出所測量的應力。在步驟e中借助于帶通濾波器對所測量的應力進行濾波，以便確定相應固有頻率下的應力幅度。在步驟f中示出被濾波的應力幅度。

在步驟g中詢問：被濾波的應力幅度是否超過極限值σ_STORE。如果是這種情況的話，那么在步驟h中存儲所測量的應力。替選可行的是：以大的時間間隔持久地存儲所測量的應力，并且在步驟h中以小的時間間隔存儲所測量的應力。

在步驟i中詢問：被濾波的應力幅度是否超過極限值σ_W。如果是這種情況的話，那么在步驟j中輸出警告信號。在步驟k中詢問：被濾波的應力幅度是否超過極限值σ_A。如果是這種情況的話，那么在步驟l中輸出警報信號。警報信號能夠引起：機械設備的操作者手動關(guān)閉所述機械設備。替選地，警報信號能夠引起：機械設備的自動關(guān)閉。

盡管詳細地通過優(yōu)選的實施例詳細闡明和描述本發(fā)明，但本發(fā)明不由于所公開的實例而受到限制并且能夠由本領域技術(shù)人員從中推導出其他的變型形式，而沒有偏離本發(fā)明的保護范圍。