Vor Ort anpassbarer Schwingungstilger vermindert Schwingungen in Rohrleitungen

Der erste Ansatz beinhaltet meistens eine zusätzliche Versteifung von bestimmten Rohrleitungsabschnitten. Die Zugänglichkeit der Anlage, ihre konstruktive Ausführung oder der zeitliche Verzug bis zu einer möglichen Umsetzung machen diesen Weg jedoch oft schwierig oder sogar unmöglich. Alternativen sind daher gefragt.

Eine besonders effektive Maßnahme, um derartige Resonanzprobleme zu beheben, sind Schwingungstilger. Vor allem gedämpfte Schwingungstilger führen zu einem deutlich besseren Schwingungsverhalten des Rohrleitungssystems über den gesamten Betriebsbereich (Motordrehzahlen) einer Verdichteranlage. Der zweidimensional arbeitende Schwingungstilger Magic Tube von Kötter Consulting Engineers bietet gegenüber den bisher verfügbaren Systemen den Vorteil, dass er sich während der messtechnischen Untersuchung vor Ort präzise auf den Anwendungsfall einstellen lässt und so das Schwingungsproblem sofort löst.

Funktionsweise von Schwingungstilgern

Es gibt unterschiedliche Ansätze zur Reduktion von Schwingungen. Die effektivste Lösung hängt stets von der Schwingungsursache ab. Bei Problemen mit schwach gedämpften Struktureigenfrequenzen, die resonanzförmig angeregt werden, eignen sich Schwingungstilger besonders gut zur Schwingungsreduktion. Um den positiven Einfluss eines Schwingungstilgers auf ein dynamisches System zu erläutern, kann auf ein strukturmechanisches Ersatzmodell zurückgegriffen werden. Zur Beschreibung dynamischer Probleme lässt sich das Schwingungsverhalten von beliebigen Strukturen vereinfacht über einen Freiheitsgrad (ohne Schwingungstilger) beschreiben. Das dazugehörige Ersatzmodell – der Ein-Massen-Schwinger – basiert auf einer zentralen Masse, die über eine Feder (Steifigkeit) und einen Dämpfer an die Umgebung gekoppelt ist.

1: Qualitatives Übertragungsverhalten für ein schwingfähiges System mit und ohne Schwingungstilger. Bilder: Kötter Consulting Engineers

Der Ein-Massen-Schwinger besitzt ein typisches Übertragungsverhalten, welches maßgeblich durch die Lage der Eigenfrequenz bestimmt wird. Liegt eine Anregung mit der Frequenz der Eigenfrequenz vor, tritt der sogenannte Resonanzfall ein und der Ein-Massen-Schwinger kann spielend leicht zu starken Schwingungen angeregt werden (Bild 1). Die Lage der Eigenfrequenz wird maßgeblich durch die Steifigkeit und die Masse des Systems bestimmt. Für eine feste Anregungsfrequenz lässt sich die Eigenfrequenz beispielsweise durch zusätzliche Versteifungsmaßnahmen verschieben. Der Resonanzfall kann dadurch vermieden werden. Für den Fall, dass eine zusätzliche Versteifung konstruktiv nicht möglich ist, bietet sich der Einsatz eines Schwingungstilgers an. Bei konstanter Anregungsfrequenz verbessert bereits eine ungedämpfte Tilgerausführung die Schwingungssituation signifikant (Bild 1).

In der Praxis liegt jedoch häufig ein breites Band an potenziellen Anregungsfrequenzen vor. Dann können sowohl bei Versteifungsmaßnahmen als auch bei einer ungedämpften Tilgerausführung erneut Eigenfrequenzen angeregt werden und Resonanzerscheinungen auftreten. Dann ist das Schwingungsproblem nur verschoben, aber nicht behoben. An diesem Punkt wird der Einsatz eines gedämpften Tilgers interessant. Die zusätzliche Dämpfung ermöglicht es, kritische Resonanzerscheinungen zu unterbinden (Bild 1). Das System wird durch den Dämpfungseinfluss resistent gegenüber beliebigen Anregungsfrequenzen.

Der Schwingungstilger Magic Tube

2: Design ... und Konstruktion des Schwingungstilgers Magic Tube.

... und Konstruktion des Schwingungstilgers Magic Tube.

Um Rohrleitungsschwingungen vollständig zu verhindern, muss ein Tilger stets individuell an die vorgefundene Schwingungssituation angepasst werden. Handelsübliche Systeme müssen deshalb meist individuell konstruiert und gefertigt werden. Daraus ergeben sich mitunter lange Lieferzeiten. Aus diesem Grund hat der Ingenieurdienstleister einen Schwingungstilger entwickelt, der sich vor Ort an das Schwingungsverhalten anpassen lässt, beispielsweise im Rahmen einer messtechnischen Schwingungsuntersuchung. Zudem kann dieser Tilger über eine flexible Halterung an Rohrleitungen und beliebige Strukturen gekoppelt werden (Bild 2).

Die funktionsrelevanten Komponenten des Tilgers befinden sich in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse und sind wartungsfrei. Die Konfiguration des Tilgers lässt sich in drei Schritte untergliedern. Zunächst wird in Abhängigkeit der zu tilgenden Struktur eine geeignete Tilgermasse ausgewählt. Anschließend wird die benötigte Eigenfrequenz des Tilgers über die Steifigkeit eines justierbaren Biegestabs eingestellt. Und im letzten Schritt wird über ein hochviskoses Öl und eine spezielle Lamellenkontur die gewünschte Dämpfung eingestellt. Der Tilger kann bei Schwingungsproblemen bis 150 Hz eingesetzt werden. Die zweidimensionale Ausführung ist unter anderem bei Rohrleitungssystemen von Vorteil, um mehrdimensionalen Schwingungen optimal entgegenzuwirken.

Rohrleitungsschwingungen bei Verdichter mit fester Drehzahl

Im Folgenden wird anhand von zwei unabhängigen Fallbeispielen der erfolgreiche Einsatz des Magic Tube gezeigt. In beiden Fallbeispielen liegen erhöhte Rohrleitungsschwingungen an Verdichteranlagen vor. Während im ersten Fallbeispiel eine feste Verdichterdrehzahl vorliegt, muss im zweiten Beispiel ein breites Anregungsspektrum durch einen drehzahlvariablen Verdichter berücksichtigt werden.

Im ersten Fall wurde eine Ethylen-Verdichteranlage schwingungsmesstechnisch untersucht. In dieser Anlage arbeiten drei zweistufige Kolbenverdichter in vertikaler Bauweise. Die Verdichter besitzen eine Antriebsleistung von je 1,5 MW und werden bei einer festen Drehzahl von 496 min^-1 betrieben. Je nach Bedarf an Fördermenge sind unterschiedliche Parallelfahrweisen mit zusätzlicher Schadraumverstellung möglich. Vor Ort wurde an mehreren Stellen ein erhöhtes Schwingungsniveau festgestellt. Am auffälligsten waren Rohrleitungsschwingungen mit Auslenkungen bis zu 51 mm/s eff. an einem Rohrleitungsabschnitt in 4 m Höhe vor dem Kühler der zweiten Verdichterstufe.

3: Verdichter mit konstanter Drehzahl: Frequenzspektrum der lokalen Schwingungen der Rohrleitung im Vergleich zu den Richtwerten nach VDI 3842. Eine Schwingung bei etwa 16 Hz liegt mit einer Schwinggeschwindigkeit von 51 mm/s deutlich über der zulässigen Grenze.

Bild 3 zeigt einen spektralen Vergleich der lokalen Schwingungen mit den Richtwerten der VDI 3842 für Rohrleitungsschwingungen. Um die Schwingungsursache zu ermitteln, wurde das Übertragungsverhalten im Stillstand mithilfe eines sogenannten Anschlagversuchs durchgeführt. Dabei wird der Rohrleitungsabschnitt durch einen Schlag mit einem Impulshammer (Hammer mit Kraftmessdose) angeregt und gleichzeitig das Ausschwingverhalten gemessen. Als Ergebnis erhält man die sogenannte Übertragungsfunktion der Struktur, die hier in Form der Mobilität berechnet wird. Diese beschreibt, wie sensitiv die Strukturantwort – die Schwinggeschwindigkeit in mm/s – auf eine lokale Erregung (Kraft in N) reagiert.

Aufgrund der festen Betriebsdrehzahl wäre hier auch eine zusätzliche Versteifung als Lösungsansatz denkbar. Aufgrund der Höhe der Rohrleitung hätte jedoch eine sehr massive Stütze konstruiert werden müssen. Eine alternative Verstimmung durch eine Zusatzmasse hätte den Nachteil, dass beim Anfahren der Verdichter nach einem Stillstand mit noch höheren Resonanzerscheinungen zu rechnen wäre. Deshalb entschieden sich die Anlagenbetreiber dafür, den zweidimensional arbeitenden Schwingungstilger einzusetzen.

4: Verdichter mit konstanter Drehzahl: Vergleich der gemessenen Schwinggeschwindigkeiten an der Rohrleitung vor und nach der Installation des Schwingungstilgers (links oben, rot gestrichelt umrandet).

Nachdem die wesentlichen strukturdynamischen Systemparameter des Rohrleitungsabschnittes ermittelt waren, wurde der Schwingungstilger mit verhältnismäßig wenig Dämpfung für diesen Anwendungsfall konfiguriert. Bild 4 zeigt die Installation vor Ort (links oben). Zudem sind die maximal während dieses Betriebszeitraumes aufgetretenen Schwingungen dem Richtwert gemäß VDI 3842 und dem vorherigen Schwingungsniveau gegenübergestellt. Die lokalen Schwingungen wurden durch den Schwingungstilger von über 50 mm/s eff. auf 8 mm/s eff. vermindert.

Rohrleitungsschwingungen bei Verdichter mit variabler Drehzahl

Beim zweiten Fallbeispiel traten erhöhte Rohrleitungsschwingungen an einem vierzylindrigen, dreistufigen Kolbenverdichter auf, der ein allgemein sehr ruhiges Betriebsverhalten zeigte. Der Verdichter mit einer Antriebsleistung von bis zu 1,25 MW wird in einem Drehzahlbereich von 155 bis 320 min-1 betrieben. Auffällige Schwingungen traten an der druckseitigen Rohrleitung hinter dem Pulsationsdämpfer der 1. Stufe auf.

Um eine allgemeine Aussage über das Schwingungsniveau treffen zu können, wurde die Anlage im gesamten Drehzahlbereich untersucht. In Bild 5 sind die effektiven Schwinggeschwindigkeiten mit den hier herangezogenen Richtwerten nach DIN ISO 10816-8 für den untersuchten Drehzahlbereich dargestellt.

5: Verdichter mit variabler Drehzahl: Drehzahlabhängige Schwinggeschwindigkeiten der Rohrleitung sowie Richtwerte nach DIN ISO 10816-8 vor und nach der Installation des Schwingungstilgers. Blaue Messpunkte ohne Schwingungstilger, grüne mit Schwingungstilger.

Der Verlauf der Schwingungen ohne Schwingungstilger zeigt eine starke Abhängigkeit von der Drehzahl. Dieses Verhalten ist typisch für Resonanzprobleme. Durch das diskontinuierliche Förderprinzip des Kolbenverdichters gibt es zahlreiche höhere harmonische Schwingungen der Drehzahl, die Rohrleitungsschwingungen anregen können. Jedes Mal, wenn eine Höherharmonische des Verdichters mit einer Struktureigenfrequenz der Rohrleitung übereinstimmt, kommt es zu resonanzartigen Schwingungsüberhöhungen.

Eine spektrale Analyse zeigte, dass die maximalen Schwingungen stets bei etwa 46 Hz auftreten. Leider konnte der Verdichter aufgrund der fortlaufenden Produktion nicht für Eigenfrequenzuntersuchungen im Stillstand abgeschaltet werden. Daher musste die Impulshammer-Analyse während des Anlagenbetriebs durchgeführt werden. Die zahlreichen Spitzen im Schwingunsspektrum entsprechen Höherharmonischen Anregungsfrequenzen. Trotz des fortlaufenden Betriebes konnte eine Eigenfrequenz bei etwa 45,6 Hz eindeutig ermittelt werden. Es liegt erneut eine sehr niedrige Dämpfung vor.

Aufgrund der Resonanzprobleme wurde der Schwingungstilger vor Ort konfiguriert und installiert. Ein erneuter Anschlagversuch bestätigte das verbesserte Übertragungsverhalten. Die Betriebsschwingungen wurden anschließend über eine erneute Variation der Betriebsdrehzahlen aufgezeichnet (Bild 5, grüne Linie). Über den gesamten Bereich zeigt sich ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten mit maximal 10 mm/s eff.