Heft 26/1987

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie


 
Heft 26/1987

ELLMER, Wilfried

Untersuchung temperaturinduzierter Höhenänderungen eines Großturbinentisches

Dissertation
106 S.

Auflage:  700

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

 


Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Promotionsausschuß:  
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. E. Dorrer
1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. W. Welsch
2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. W. Caspary
3. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. K. Linkwitz

Die Dissertation wurde am 12. November 1986 bei der Universität der Bundeswehr München, D-8014 Neubiberg, Werner-Heisenberg-Weg 39, eingereicht und durch die Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen am 5. Juni 1987 angenommen.
 



Inhaltsverzeichnis

1.  Einführung 5
 
2.  Das Turbinenfundament und seine Deformationen 10
     2.1  Beschreibung der Turbine und ihres Fundamentes 10
     2.2  Anforderungen an die Ausricvhtung der Turbinenachse 13
     2.3  Kräfte und Deformationen 15
 
3.  Die Messung der Deformationen und der sie
     verursachenden Größen

19
     3.1  Zur Bedeutung und Ausführung geodätischer
            Deformationsmessungen

19
     3.2  Hydrostatisches Nivellement zur Bestimmung von
            Sohlplattendeformationen

22
     3.3  Extensometermessungen zur Bestimmung der
            Tischplattendeformationen

26
     3.4  Messung nichtgeometrischer Größen zur Ergänzung
            der Deformationsmessungen

27
     3.5  Erfassung der Meßdaten und Übertragung zu einem
            zentralen Rechner

28
 
4.  Aufbereitung der Meßdaten für die Verwendung in
     dynamischen Systemen

32
     4.1  Allgemeines 32
     4.2  Zur Gleichabständigkeit einer Meßreihe 32
     4.3  Verfahren zur Approximation langer Zeitreihen 34
     4.4  Approximation begrenzter Abschnitte einer Meßreihe 39
 
5.  Dynamische Systeme 42
     5.1  Definitionen 42
     5.2  Eigenschaften diskreter linearer zeitinvarianter Systeme 45
     5.3  Die Darstellung diskreter linearer zeitinvarianter Systeme 47
     5.4  Signalanalyse 53
            5.4.1  Fouriertransformation 53
            5.4.2  Digitale Filter 55
     5.5  Das dynamische Modell 56
 
6.  Der Turbinentisch als dynamisches System  - 
     Ein Analaysebeispiel

61
     6.1  Zur Beschaffenheit des Datenmaterials 61
     6.2  Schaffung äquidistanter Daten 66
     6.3  Berechnungen im Frequenzraum 70
     6.4  Berechnung der Beziehungen Außentemperatur -
            Deformation mit Hilfe von Differenzengleichungen

77
 
7.  Zusammenfassung und Schluß 93
 
8.  Literaturverzeichnis 95
 
Lebenslauf 102
Nachwort 102
Stichwortverzeichnis (Index) 103
 

 
Zusammenfassung und Schluß

In der Einleitung wurde auf die Notwendigkeit der Interpretation geodätischer Messungen hingewiesen. Es wurde deutlich gemacht, daß eine Interpretation hinsichtlich der Ursache-Wirkungsbeziehungen nicht nur dem Auftraggeber hilft, die Messungsergebnisse richtig und sinnvoll zu verwenden. Auch dem Vermessungsingenieur selber hilft sie, seine Messungen besser zu beurteilen. Es wurden Modelle vorgestellt, die es mit verhältnismäßig geringem Aufwand ermöglichen, gemessene Deformationen zu analysieren, wenn Meßdaten der Größen vorliegen, die die Deformationen verursachen.

Bevor die Systemmodelle im einzelnen dargestellt wurden, war erst eine Einführung in die Theorie der diskreten linearen zeitinvarianten Systeme notwendig. Diese baut auf gründlichen Begriffserklärungen auf, da die Begriffe in der Literatur teilweise mit unterschiedlicher Bedeutung verwendet werden. Es wurden Eigenschaften der Systemmodelle aufgeführt und verschiedene Möglichkeiten, ein System darzustellen. Die verschiedenen Darstellungsformen betreffen zwar dasselbe Modell, sind aber wegen ihrer unterschiedlichen Aussagekraft je nach dem Zweck der Analyse auszuwählen.

Es wurden verschiedene Modelle aufgeführt, mit denen ein vorliegendes gemessenes System identifiziert werden kann. Sie eignen sich für solche Systeme, in denen die Antwort nicht nur unmittelbar auf eine Änderung einer Eingangsgröße folgt, sondern sich auch über einen längeren Zeitraum erstreckt. Das Übertragungsverhalten wird als linear und weitgehend stationär angenommen, es wird also davon ausgegangen, daß sich die Parameter einer linearen Systemmodells nicht mit der Zeit ändern. Da es keine allgemein verwendbaren Modelle gibt, wurden hier diejenigen ausgewählt, die dem Verhalten des gemessenen Objektes und dem Zweck der Identifikation am besten entsprechen.

Es wurden zwei Stufen einer Berechnung aufgezeigt: Zunächst müssen die gemessenen Daten für die Systemidentifikation vorbereitet werden. Dieser Schritt muß bereits mit großer Sorgfalt erfolgen, wenn nicht der Informationsgehalt der Messung gemindert werden soll. Der Schwerpunkt der Ausführungen lag in der Gewinnung der Gleichabständigkeit der Meßdaten. Aber auch wenn die Daten bereits gleichabständig aufgenommen wurden, wird es in den meisten Fällen der geodätischen Deformationsanalyse nötig sein, Datenlücken zu füllen oder unter Umständen sogar einzelne Meßwerte für eine bestimmte Berechnung zu ersetzen, wenn sie so auffällig von anderen als der untersuchten Einflußgröße verändert sind, daß sie die spätere Parameterschätzung verfälschen, z. B. Ausreißer.

Die zweite Stufe ist die eigentliche Modellrechnung. Je nach dem angestrebten Ziel erfolgt die Bearbeitung der einzelnen Signale getrennt (Signalanalyse) oder gemeinsam in einem Systemmodell. Die Signalanalyse wird benötigt, um eine erste grobe Information über das Systemverhalten zu bekommen. Oft ist sie auch eine Hilfe für die weitere Analyse. Das Systemmodell dagegen ermöglicht es erst, die Anteile verschiedener Ursachen aus den Deformationsmessungen herauszufiltern.

Die Parameter des dargestellten verallgemeinerten Regressionsmodells haben keine direkte physikalische Bedeutung. Dennoch ist klar zu erkennen, daß die geschätzten Modellparameter einer bestimmten Gesetzmäßigkeit folgen. Damit ist eine Hilfe gegeben, die ursprünglich unbekannte Modellordnung zu ermitteln.

Aus den gemessenen Zeitreihen des Grafenrheinfelder Turbinentisches wurden Systemmodelle gerechnet; die Ergebnisse wurden ausführlich dargestellt uind kommentiert. Mit Hilfe der in der Systemidentifikation geschätzten Parameter lassen sich aus anfallenden Deformationsmaßwerten die Außentemperaturanteile relativ einfach abspalten. Die Restwerte sind z. B. geeignet, um Unregelmäßigkeiten im Betriebsablauf festzustellen, die entweder vom Fundament herrühren oder sich darauf auswirken. Es ist jedoch wichtig, von Zeit zu Zeit die Koeffizienten zu überprüfen, vor allem aber in dem Moment neu zu bestimmen, in dem durch zusätzliche Einbauten oder auf andere Weise die Temperaturübertragung im Maschinenhaus geändert wird.

Für eine bessere Interpretation der berechneten Ergebnisse wäre es sicher sinnvoll, weitere Größen zu registrieren, die sich auf die Temperaturübertragung auswirken, z. B. Änderungen in der Belüftung der Halle (Jalousien, Tore, Entlüftung) oder im Bereich der Dampf- und Kühlwasserzufuhr.

Die Art der Datenaufzeichnung hat sich als günstig herausgestellt. Es hat sich gezeigt, daß sich Datenlücken ohne große Schwierigkeiten überbrücken lassen. Auch an der Abtastrate sollte nichts geändert werden: eine Verringerung auf zwei Messungen pro Tag oder weniger hätte zur Folge, daß wegen der Schwingungen mit der Periode eines Tages der wirkliche Bewegungsablauf falsch rekonstruiert würde (Verletzung des Abtasttheorems), es würden beispielsweise Schwingungen vorgetäuscht, die am Turbinentisch nicht existieren.

Was die Auswertungen selbst betrifft, so ist eine Verbesserung der Modelle vor allen Dingen durch die Hinzunahme weiterer Eingangsgrlßen-Messungen, insbesondere der Maschinenleistung, möglich. Eine Änderung der Leistung bewirkt unmittelbar eine Torsion des Turbinentisches. Durch Berücksichtigung dieser Meßgröße würden vor allem Spitzen aus dem Datenmaterial und damit auch aus der Verbesserungsreihe der Systemidentifikation verschwinden.

Für die praktische Anwendung dynamischer Modelle, auch auf die vorliegenden Meßdaten, ist es wichtig, Verfahren zu entwickeln, die nicht gleichabständige Daten verarbeiten. Gerade im Falle geodätischer Deformationsmessungen sowohl im technischen wie auch im geophysikalischen Bereich sind gleichabständige Daten über eine größere Anzahl von Epochen nicht zu erwarten. Oft ist es auch gar nicht sinnvoll, eine Gleichabständigkeit anzustreben. Besser ist es, die Auswertemethoden auf die praktischen Erfordernisse abzustellen.

Zur Fortführung der Arbeit bieten sich Kalman-Filter an. Sie dienen zunächst nicht der Identifikation des Systems; vielmehr muß das Übertragungsverhalten in Form der in einer Systemidentifikation geschätzten Parameter bereits bekannt sein. Kalman-Filter sind in der Lage, auch in nichtstationären Systemen Zustandsgrößen zu schätzen.
 



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