Dem Schwingungsphänomen auf der Spur

Bei Industriepartnern ist das Know-how des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF auch gefragt, wenn es darum geht, Schwingungsphänomenen auf die Spur zu kommen.

Die Dimensionen der Untersuchungsobjekte können dabei sehr beachtliche Ausmaße erreichen, wie eines der jüngsten Beispiele zeigt. Ingenieure des Darmstädter Instituts nahmen den Prototypen einer der größten Wasserpumpen Indiens unter die Lupe.

Ziel der Untersuchungen war es, möglichst früh im Entwicklungsprozess die potenziell kritischen Schwachstellen zu identifizieren. Hierbei zeigte sich, dass die Vorteile der äußerst sensiblen Messtechnik des Fraunhofer LBF auch bei derart großen Objekten zum Tragen kommen. Denn diese Größenordnung zeigt bei synthetischer Anregung nur sehr geringe Amplituden der Schwingungsbeschleunigungen. Zudem liegen deren Eigenformen bereits im Bereich einiger Hertz.

Schwingende Pumpe
Bei den Strukturuntersuchungen wurde für den statischen Fall die sogenannte experimentelle Modalanalyse (EMA) angewandt, mit deren Hilfe Eigenschwingformen identifiziert und grafisch dargestellt werden können. Diese Technik wenden die LBF-Ingenieure meist an wesentlich kleineren Strukturen an, bei denen ein detailliertes Verständnis über das Schwingungsverhalten unabdingbar ist.

Neben der EMA greifen die Ingenieure am Fraunhofer LBF auf zahlreiche Strukturidentifikationsverfahren zurück. Dabei wird das Schwingverhalten sowohl unter der Einwirkung bekannter, als auch unbekannter Kräfte analysiert. Dies geschieht etwa mittels Beschleunigungssensoren, 3D-Laservibrometrie, Rotationslaservibrometrie oder Bildkorrelationsverfahren. In Indien kamen an der laufenden Maschine Betriebsdehnungsmessungen zum Einsatz.

Die Dimensionen der Wasserpumpe sind gewaltig: Motor und Welle haben eine Gesamthöhe von rund 17 Metern. Der Motor wiegt gut 35 Tonnen und die Rotormasse liegt bei weiteren 10 Tonnen. Die Durchflussmenge beträgt 10.000 Liter pro Sekunde, dabei erreicht der Motor eine Leistung von 3,5 Megawatt. Interessant ist die Erkenntnis, dass selbst Strukturen in der Dimension dieser Pumpe mit vielen Tonnen Gewicht nie starre Körper sind, sondern schwingen, ähnlich einer Gitarrenseite in einer durch die Konstruktion bestimmten Schwingungsform.

Dem Pumpenhersteller konnten die Wissenschaftler aussagekräftige Daten bereitstellen, mit deren Hilfe die Simulationsmodelle der Entwickler abgeglichen werden konnten. Dazu wurde die Pumpe sowohl im Stillstand als auch im Betrieb untersucht. Mit einer sehr empfindlichen Messtechnik, wie sie für den allgemeinen Maschinenbau eher unüblich ist, konnten sie weitgehende Aussagen zum Betriebsverhalten der Pumpe machen.

Verschmelzung verschiedenen Kompetenzen
Das Projekt in Indien hat auf beispielhafte Weise die klassische Kernkompetenz des Fraunhofer LBF „Betriebsfestigkeit“ und „Systemzuverlässigkeit“ mit der unter Institutsleiter Professor Holger Hanselka etablierten Entwicklung adaptronischer Systeme verbunden. Aufgrund der hohen messtechnischen Anforderungen der fachübergreifenden Disziplin Adaptronik verfügt das Darmstädter Institut über vielfältig einsetzbare Messtechnik zur Schwingungsanalyse. Sie kann auch solch tiefe Frequenzbereiche noch erfassen, wie Sie bei Strukturen der Größe von Brücken oder eben Kraftwerkspumpen auftreten können.