Разбиране на времето на върха на острието
Blade tip timing (BTT — наричана още неинвазивна система за измерване на напреженията, или NSMS) е усъвършенствана техника за наблюдение на вибрация и напрежението на отделните лопатки на турбината, компресора или вентилатора с помощта на стационарни оптични или капацитивни сензори, които записват точното време на пристигане на всеки връх на лопатката при преминаването му през сензора. Чрез сравняване на действителното време на пристигане с времето, очаквано от скоростта на ротора, системата BTT изчислява отклонението на лопатките, честотата и амплитудата на вибрациите и може да сигнализира за резонанси на лопатките, пукнатини и необичайни движения за всяка лопатка поотделно — и всичко това без никакви уреди върху самите въртящи се лопатки. Това е основният метод за мониторинг на състоянието на лопатките в газови турбини — от самолетни двигатели до промишлени агрегати — и е от решаващо значение за откриване на трептене на лопатките умора, резонанс и повреди от чужди предмети, които в противен случай могат да прераснат в катастрофална повреда на лопатките и разрушаване на двигателя.
1. Принцип на работа: Измерване на времето на пристигане
BTT работи, като разглежда всеки връх на острието като движещо се събитие и определя времето му с изключителна прецизност. Веригата от измервания протича по следния начин:
- Позициониране на сензорите: множество сензори - обикновено от два до осем - са разположени по периферията на корпуса на известни ъглови места.
- Очаквано пристигане: от моментната скорост на ротора (предоставяна от еднократен тахометър или ключов фазор ), системата изчислява кога всеки връх на лопатката трябва да достигне до всеки сензор.
- Действително пристигане: сензорът засича реалното преминаване на накрайника с точност до микросекунда.
- Времева разлика: всяко отклонение между очакваното и действителното пристигане представлява отклонение на острието - върхът пристига по-рано или по-късно, защото острието се огъва.
- Множество сензори: Няколко измервания на всеки оборот, направени в различни периферни позиции, позволяват на системата да реконструира вибрациите на лопатката.
- Острие по острие: всяко острие в етапа се проследява индивидуално, така че отклоненията се открояват от популацията.
Изчисляване на отклонението
Превръщането на времето в движение е въпрос на геометрия: отклонението от времето, умножено по скоростта на върха на острието, дава преместването на върха, а това преместване е пряка мярка за огъването или вибрациите на острието. Тъй като накрайниците се движат толкова бързо, микросекундната разделителна способност на времето се превръща в микрометрична разделителна способност на преместването - достатъчно фина, за да се видят вибрациите много преди да станат опасни.
2. Видове сензори
Изборът на сензор се диктува от околната среда, материала на острието и степента на замърсяване, която сензорът трябва да понесе.
Оптични сензори
- Използвайте лазерен или светодиоден източник на светлина с фотоприемник, който отчита отразената светлина от преминаващия накрайник.
- Най-разпространеният тип BTT сензор, предлагащ добра точност и надеждност - концептуално свързан с фотоелектрични сензори и оптични тахометри използвана на други места в работата с вибрациите.
Капацитивни сензори
- Открийте върха на острието чрез промяната на капацитета при преминаването му.
- Изискват проводящо острие, но се влияят по-слабо от замърсяването в сравнение с оптичните сензори - за сметка на по-късото разстояние на отчитане.
Сензори за вихрови токове
- Подобно на принципа на сонди за близост и сонди с вихрови токове използвана за наблюдение на валовете.
- Откриват метални остриета и са здрави и надеждни при тежки условия.
3. Приложения
BTT се използва навсякъде, където целостта на лопатките е от критично значение за безопасността и конвенционалните сензори не могат да достигнат до въртящите се части.
Газотурбинни двигатели
- Разработване на самолетни двигатели и изпитване за сертифициране.
- Въвеждане в експлоатация на промишлени газови турбини.
- Непрекъснат мониторинг на лопатките на компресорите и турбините.
- Откриване на трептения и резонанс.
Парни турбини
- Мониторинг на лопатките на турбините с ниско налягане (LP).
- Откриване на повреда или резонанс на острието.
- Оценка на вибрациите на дълги и тънки лопатки на LP.
Големи вентилатори и компресори
- Вентилатори с индуцирана тяга в електроцентрали.
- Степен на аксиален компресор.
- Мониторинг на състоянието на ротори с критични лопатки като цяло - проблем, който иначе се диагностицира чрез честота на преминаване на лопатката във вибрациите на корпуса.
4. Предоставена информация
Една зряла инсталация за БТТ дава много повече от един здравен номер; тя характеризира всяко острие в няколко измерения.
Индивидуално поведение на лопатките
- Всяко острие се проследява отделно, така че анализаторът може да види точно кои остриета вибрират.
- A напукано острие се проявява чрез изместена собствена честота спрямо съседните му.
- Повредите от чужди предмети (FOD) се откриват като внезапна промяна в поведението на острието.
Честоти на вибрациите
- Мерки за острието собствени честоти по време на действителна работа.
- Открива условия на резонанс и идентифицира трептене.
- Характеризира принудителната реакция при работни натоварвания - тясно свързана с аеродинамични сили които вълнуват остриетата.
Оценка на стреса
- Деформацията на лопатката се преобразува в напрежение на огъване.
- Позволява мониторинг на умората при висок цикъл спрямо проектните граници.
- Поддържа прогнозиране на остатъчен живот на острието.
5. Предимства пред тензометричните датчици
БТТ си спечели своето място до голяма степен благодарение на преодоляването на практическите ограничения на монтираните на лопатките тензометрични датчици.
Без въртящи се инструменти
- Деформационните датчици трябва да бъдат залепени върху лопатките и се нуждаят от приплъзващи пръстени или телеметрия за получаване на сигнала от ротора - сложно и скъпо.
- BTT използва само стационарни сензори, което намалява разходите и сложността.
Всички остриета се наблюдават
- Деформационните датчици са практични само за една или две лопатки; BTT следи всяка лопатка в етапа.
- Този цялостен преглед на популацията идентифицира отклоняващи се остриета, които няколко инструментални проби биха пропуснали.
Постоянен капацитет
- BTT може да се инсталира за постоянно за непрекъснати или периодични мониторинг на състоянието, докато тензометричните датчици обикновено се монтират само за изпитване.
6. Предизвикателства
Техниката е мощна, но трудна, а трудностите при нея се концентрират в три области.
Сложна обработка на сигнали
- Данните са силно недоизбрани - само няколко точки на оборот - така че за възстановяване на вибрациите са необходими сложни алгоритми.
- Алиасинг е постоянна опасност и е необходимо да се използва специализиран софтуер.
Изисквания за монтаж
- Сензорите трябва да имат достъп до трасето на лопатката, което може да изисква модификации на корпуса.
- Позиционирането на сензора трябва да бъде прецизно и системата трябва да бъде калибрирана за специфичната геометрия на острието.
Екологични проблеми
- Замърсяването от изгорели газове или масло може да заслепи оптичните сензори.
- Високите температури натоварват сензорите, а вибрациите на корпуса могат да повредят измерването на времето на пристигане.
Времеизмерването на върха на лопатките е специализиран, но уникален метод за ненатрапчиво измерване на вибрациите на лопатките в турбомашините. Чрез определяне на времето на пристигане на върха на лопатката в множество сензорни места с точност до микросекунда, BTT следи за състоянието на всяка лопатка в стъпалото, открива резонанси и пукнатини и помага за предотвратяване на катастрофални повреди на лопатките в газови турбини и други машини с лопатки, където целостта на лопатката е разликата между безопасната експлоатация и разрушаването. За ротора като цяло - за разлика от отделните лопатки - същите тези машини все още се балансират и тенденциозно управляват с конвенционални анализ на вибрациите; по-голямата част дисбаланс на ротора на вентилатор или компресор, например, се измерва и коригира на място с преносим двуканален анализатор като този на Balanset-1A, работещи в собствените лагери на машината при работна скорост. По този начин балансирането на БТТ и балансирането на ниво вал работят в различни мащаби на един и същ проблем - едното наблюдава огъването на всяка лопатка, а другото контролира силите на целия ротор, които се появяват веднъж на оборот.
