Mathematik überwacht Schwingungen in Kraftwerken

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik prräsentiert berührungslosen Drehmomentsensor auf der SENSOR in Nürnberg

Kraftwerke sichern unseren Energiebedarf. Egal ob diese Energie nun aus Wind, Wasser, Kohle oder einem anderen Rohstoff gewonnen wird, das Prinzip ist immer das gleiche: Aus Primärenergie wird elektrischer Strom gewonnen und dafür braucht man einen Generator, also eine rotierende Maschine, die mechanische in elektrische Energie umwandelt.

Für den reibungslosen Arbeitsablauf eines Kraftwerks sollte zur Maschinendiagnostik unter anderem das Torsionsverhalten des Wellenstranges eines Turbosatzes stets beobachtet werden; Störungen im elektrischen Netz, in den Turbinen oder im Generator führen häufig zu kritischen Torsionsschwingungen der Welle und damit zur Schädigung oder langfristig gar Zerstörung von kritischen Wellenelementen wie z.B. den Wellenkupplungen. Da herkömmliche Torsionsmessgeräte an der Welle im Kraftwerk nicht verwendet werden können, hat das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern gemeinsam mit einer Sensorik-Firma einen berührungslosen Drehmomentsensor entwickelt.

Das Messkonzept des Sensors basiert auf dem anisotropen magnetostriktiven Effekt in ferromagnetischen Wellenoberflächen. Dieser Effekt verursacht in Anhängigkeit von der Torsionsspannung an der Mess-Stelle eine unterschiedliche Permeabilität in Richtung der Druck- und Dehnspannungen. Mit dem Sensor wird die Permeabilitätsänderung gemessen, die in einem großen Messbereich proportional zur Torsionsspannung an der Wellenoberfläche ist. Darüber hinaus werden die maximalen Drehmomente und deren Frequenzen erfasst und die Materialermüdung durch Torsionsmomente berechnet. Die vom Sensor gelieferten Signale werden über eine Messkarte direkt verschiedenen Softwaretools für die weitere Analyse zur Verfügung gestellt.

Zunächst konfiguriert die Software TorStor die Messkarte für die Drehmomenterfassung, rechnet dann die Spannungen in Drehmomente um und speichert sie in Dateien mit einer Länge von jeweils 20 000 Datenpunkten ab. Der Benutzer kann wählen, welche Drehmomentverläufe gespeichert werden sollen. Das integrierte Visualisierungstool stellt die gespeicherten Drehmomentverläufe im Zeit- und Frequenzbereich dar. Zusätzlich erhält der Benutzer die numerischen Extremwerte der beobachteten Zeitreihe. TorFat analysiert die gemessenen Drehmomentverläufe und analysiert, ob ein relevanter Störfall vorliegt. Falls ja, führt die Software eigenständig eine Ermüdungsanalyse für die überwachte Komponente durch und addiert die Ergebnisse zu den bereits ermittelten Schädigungen. Die Erweiterung von TorFat ist TorAn, für das Online-Monitoring und die Schädigungsanalyse von rotierenden Maschinen an mehr als einer Systemkomponente. Basierend auf den Messungen der Torsionsmomente schätzt TorAn online die Drehmoment-verläufe an bis zu fünf Stellen im System. „Mit Hilfe moder-ner Mathematik reduziert TorAn die Anzahl der Sensoren auf ein Minimum und ermöglicht zudem die Torsionsanalyse an Komponenten, an denen man aufgrund technischer Restriktionen keine Sensoren positionieren kann.“, so der Projektverantwortliche Dr. Andreas Wirsen über die Vorzüge von TorAn.

Der berührungslose Drehmomentsensor und die Softwarekomponenten wurden in Kooperation mit Prof. Stefan Kulig vom Lehrstuhl für Elektrische Maschinen, Antriebe und Leistungselektronik an der Universität Dortmund auf ihre Praxistauglichkeit getestet und werden bereits in mehreren Kraftwerken benutzt. Ihr Einsatzgebiet beschränkt sich aber nicht nur auf Kraftwerke; auch in Windkraftanlagen, Industrieanlagen, Schiffsdieseln oder Pumpen treten Torsionsschwingungen auf, die mit der Hard- und Software des ITWM überwacht werden können.

Das Fraunhofer ITWM stellt auf der SENSOR in Nürnberg (13. bis 15. Mai) aus; Sie finden uns in Halle3 am Stand A306.