Introduzione alla Blade Tip Timing
Blade tip timing (BTT — noto anche come sistema di misurazione non invasiva delle sollecitazioni, o NSMS) è una tecnica avanzata per il monitoraggio delle vibrazione e le sollecitazioni delle singole pale di turbine, compressori o ventilatori utilizzando sensori ottici o capacitivi fissi che registrano il tempo esatto di passaggio di ciascuna estremità della pala davanti al sensore. Confrontando il tempo di passaggio effettivo con quello previsto in base alla velocità del rotore, un sistema BTT calcola la deflessione della pala, la frequenza e l'ampiezza delle vibrazioni e può segnalare risonanze delle pale, crepe e movimenti anomali su ogni singola pala, il tutto senza alcuna strumentazione installata direttamente sulle pale in rotazione. Si tratta del metodo principale per il monitoraggio dello stato di salute delle pale nelle turbine a gas, dai motori aeronautici agli impianti industriali, ed è fondamentale per individuare le pale fatica, la risonanza e i danni causati da corpi estranei, che potrebbero altrimenti degenerare in un guasto catastrofico delle pale e nella distruzione del motore.
1. Principio di funzionamento: misurazione del tempo di arrivo
Il sistema BTT funziona considerando la punta di ciascuna pala come un evento in movimento e misurandone la tempistica con estrema precisione. La sequenza di misurazione è la seguente:
- Posizione dei sensori: più sensori — in genere da due a otto — sono distribuiti lungo la circonferenza dell'involucro in posizioni angolari note.
- Tempo di arrivo previsto: dalla velocità istantanea del rotore (fornita da un sensore a cadenza di un impulso per giro) tachimetro o fasore chiave (riferimento), il sistema calcola quando la punta di ciascuna pala Dovrebbe raggiungere ciascun sensore.
- Arrivo effettivo: il sensore rileva il passaggio effettivo della punta con una precisione dell'ordine dei microsecondi.
- Differenza di tempo: Qualsiasi scostamento tra l'arrivo previsto e quello effettivo è dovuto alla deflessione della pala: la punta arriva in anticipo o in ritardo a causa della flessione della pala.
- Sensori multipli: Diverse misurazioni di arrivo per ogni giro, effettuate in diverse posizioni circonferenziali, consentono al sistema di ricostruire la vibrazione della pala.
- Blade-by-blade: Ogni pala presente nello stadio viene monitorata singolarmente, in modo che i valori anomali si distinguano dal resto.
Calcolo della deflessione
Trasformare i tempi in movimento è una questione di geometria: la differenza temporale moltiplicata per la velocità della punta della pala fornisce lo spostamento della punta, e tale spostamento è una misura diretta della flessione o della vibrazione della pala. Poiché le punte si muovono a velocità elevatissima, una risoluzione temporale dell'ordine dei microsecondi si traduce in una risoluzione dello spostamento a livello di micrometri — sufficientemente precisa da rilevare le vibrazioni molto prima che diventino pericolose.
2. Tipi di sensore
La scelta del sensore dipende dall'ambiente, dal materiale della pala e dal livello di contaminazione che il sensore deve sopportare.
Sensori ottici
- Utilizzare una sorgente luminosa a laser o a LED con un fotorilevatore in grado di rilevare la luce riflessa dalla punta in movimento.
- Il tipo di sensore BTT più diffuso, che offre una buona precisione e affidabilità — concettualmente simile al sensori fotoelettrici e tachimetri ottici utilizzati in altri ambiti del settore delle vibrazioni.
Sensori capacitivi
- Rilevare la punta della pala attraverso la variazione di capacita' al suo passaggio.
- Richiedono una pala conduttiva, ma sono meno sensibili alla contaminazione rispetto ai sensori ottici — a scapito pero' di una distanza di rilevamento inferiore.
Sensori di correnti parassite
- Simile, in linea di principio, al sonde di prossimità e sonde a correnti parassite utilizzate per il monitoraggio degli alberi.
- Rilevano pale metalliche e sono resistenti e affidabili anche in condizioni difficili.
3. Applicazioni
Il sistema BTT viene impiegato ovunque l'integrità delle pale sia fondamentale per la sicurezza e i sensori convenzionali non riescano a raggiungere le parti rotanti.
Motori a turbina a gas
- Sviluppo di motori aeronautici e prove di certificazione.
- Messa in servizio di turbine a gas industriali.
- Monitoraggio continuo delle pale del compressore e della turbina.
- Rilevamento del flutter e della risonanza.
Turbine a vapore
- Monitoraggio delle pale della turbina a bassa pressione (LP).
- Rilevamento di danni alle pale o di fenomeni di risonanza.
- Valutazione delle vibrazioni delle pale LP lunghe e sottili.
Grandi ventilatori e compressori
- Ventilatori a tiraggio indotto nelle centrali elettriche.
- Stadi del compressore assiale.
- Il monitoraggio delle condizioni dei rotori a pale critici in generale — un problema che altrimenti verrebbe diagnosticato tramite frequenza di passaggio delle palette nelle vibrazioni della carcassa.
4. Informazioni fornite
Un sistema BTT ben rodato non si limita a fornire un semplice dato sullo stato di salute, ma descrive ogni pala sotto diversi aspetti.
Comportamento delle singole pale
- Ogni pala viene monitorata separatamente, in modo che l'analista possa vedere con precisione quali pale stanno vibrando.
- A cracked blade si manifesta attraverso una frequenza naturale sfasata rispetto a quella dei suoi vicini.
- I danni causati da corpi estranei (FOD) vengono rilevati come un improvviso cambiamento nel comportamento di una pala.
Frequenze di vibrazione
- Measures blade frequenze naturali durante il funzionamento effettivo.
- Rileva le condizioni di risonanza e individua il flutter.
- Caratterizza la risposta forzata sotto carichi operativi — strettamente correlata al forze aerodinamiche che eccitano le pale.
Valutazione delle sollecitazioni
- La deflessione della pala viene convertita in tensione di flessione.
- Consente il monitoraggio della fatica ad alto numero di cicli rispetto ai limiti di progetto.
- Consente di prevedere durata residua della pala.
5. Vantaggi rispetto agli estensimetri
La tecnologia BTT si è affermata soprattutto grazie al superamento dei limiti pratici degli estensimetri montati sulle pale.
Nessuna strumentazione rotante
- Gli estensimetri devono essere incollati sulle pale e richiedono anelli di contatto o telemetria per captare il segnale dal rotore — un'operazione complessa e costosa.
- BTT utilizza esclusivamente sensori fissi, garantendo così costi e complessità ridotti.
Tutte le pale monitorate
- Gli estensimetri sono efficaci solo su una o due pale; il sistema BTT monitora tutte le pale del gruppo.
- Questa visione dell'intera popolazione individua le pale anomale che un campione ridotto di pale strumentate non rileva.
Capacità permanente
- Il BTT può essere installato in modo permanente per un utilizzo continuo o periodico monitoraggio delle condizioni, mentre gli estensimetri sono solitamente installati solo a scopo di prova.
6. Challenges
Si tratta di una tecnica efficace ma impegnativa, le cui difficoltà si concentrano in tre ambiti.
Elaborazione complessa del segnale
- I dati sono fortemente sottocampionati — solo pochi punti per giro — pertanto sono necessari algoritmi sofisticati per ricostruire la vibrazione.
- Aliasing rappresenta un pericolo costante, ed è indispensabile disporre di un software specifico dedicato.
Requisiti di installazione
- I sensori devono poter accedere al percorso della pala, il che potrebbe richiedere modifiche all'involucro.
- Il posizionamento dei sensori deve essere preciso e il sistema deve essere calibrato in base alla geometria specifica della pala.
Problemi ambientali
- La contaminazione causata dai gas di scarico o dall'olio può compromettere il funzionamento dei sensori ottici.
- Le temperature elevate mettono a dura prova i sensori e le vibrazioni dell'involucro possono compromettere la misurazione del tempo di arrivo.
Il BTT (Blade Tip Timing) è un metodo specializzato ma straordinariamente efficace per la misurazione non invasiva delle vibrazioni delle pale nelle turbomacchine. Misurando con precisione al microsecondo l'arrivo delle estremità delle pale in più punti di rilevamento, il BTT monitora lo stato di salute di ogni pala in uno stadio, rileva risonanze e crepe e contribuisce a prevenire guasti catastrofici alle pale nelle turbine a gas e in altre macchine a pale, dove l'integrità delle pale fa la differenza tra un funzionamento sicuro e la distruzione. Per il rotore nel suo complesso — al contrario delle singole pale — quelle stesse macchine vengono comunque bilanciate e monitorate con metodi convenzionali analisi delle vibrazioni; the bulk squilibrio ad esempio, quella del rotore di un ventilatore o di un compressore viene misurata e corretta in loco con un analizzatore portatile a due canali come il Balanset-1A, lavorando sui cuscinetti della macchina stessa alla velocità di esercizio. Il BTT e il bilanciamento a livello dell'albero affrontano quindi lo stesso problema su scale diverse: il primo monitora la flessione di ciascuna pala, mentre il secondo mantiene sotto controllo le forze dell'intero rotore una volta per giro.
