Compreender o Blade Tip Timing
sincronização da ponta da pá (BTT - também designado por sistema de medição do stress não intrusivo, ou NSMS) é uma técnica avançada para monitorizar a vibração e a tensão das pás individuais de turbinas, compressores ou ventiladores, utilizando sensores ópticos ou capacitivos estacionários que registam o tempo preciso de chegada de cada ponta de pá à medida que esta passa por um sensor. Ao comparar o tempo de chegada real com o tempo esperado da velocidade do rotor, um sistema BTT calcula a deflexão da pá, a frequência e a amplitude da vibração e pode sinalizar ressonâncias das pás, fissuras e movimentos anormais pá a pá - tudo isto sem qualquer instrumentação nas próprias pás rotativas. É o principal método de monitorização do estado das pás em turbinas a gás, desde motores de aeronaves a unidades industriais, e é fundamental para detetar as fadiga, a ressonância e os danos provocados por objetos estranhos que, de outra forma, podem evoluir para uma falha catastrófica das pás e para a destruição do motor.
1. Princípio de funcionamento: Medição do tempo de chegada
A BTT funciona tratando cada ponta da pá como um evento em movimento e cronometrando-a com extrema precisão. A cadeia de medição funciona da seguinte forma:
- Sensores posicionados: múltiplos sensores - tipicamente dois a oito - estão espaçados à volta da circunferência do invólucro em localizações angulares conhecidas.
- Chegada prevista: a partir da velocidade instantânea do rotor (fornecida por uma referência de uma vez por rotação tacómetro ou keyphasor referência), o sistema calcula quando cada ponta da pá deve chegar a cada sensor.
- Chegada efectiva: o sensor detecta a passagem real da ponta com uma precisão de microssegundos.
- Diferença horária: qualquer desvio entre a chegada esperada e a chegada real representa a deflexão da pá - a ponta chega mais cedo ou mais tarde porque a pá está a flexionar.
- Vários sensores: Várias medições de chegada por rotação, efetuadas em diferentes posições circunferenciais, permitem ao sistema reconstruir a vibração da pá.
- Pá a pá: cada pá no andar é monitorizada individualmente, pelo que os valores atípicos se destacam da população.
Cálculo de deflexão
Converter o tempo em movimento é uma questão de geometria: o desvio de tempo multiplicado pela velocidade da ponta da pá dá o deslocamento da ponta, e esse deslocamento é uma medida direta da flexão ou vibração da pá. Uma vez que as pontas se movem tão rapidamente, a resolução do tempo ao microssegundo traduz-se numa resolução de deslocamento ao nível do micrómetro - suficientemente fina para detetar a vibração muito antes de esta se tornar perigosa.
2. Tipos de sensores
A escolha do sensor é ditada pelo ambiente, o material da pá e a quantidade de contaminação que o sensor deve tolerar.
Sensores Ópticos
- Utilize uma fonte de luz laser ou LED com um fotodetetor que deteta a luz refletida pela ponta que passa.
- O tipo de sensor BTT mais comum, que oferece boa precisão e fiabilidade - concetualmente relacionado com o sensores fotoeléctricos e tacómetros óticos utilizados noutros pontos do trabalho de vibração.
Sensores capacitivos
- Deteta a ponta da pá através da alteração da capacitância à medida que passa.
- Requerem uma pá condutora, mas são menos afetados pela contaminação do que os sensores óticos - à custa de uma distância de deteção mais curta.
Sensores de correntes parasitas
- De princípio semelhante ao sondas de proximidade e sondas de correntes de Foucault utilizado para a monitorização do veio.
- Detetam pás metálicas e são robustos e fiáveis em condições adversas.
3. Aplicações
A BTT é utilizada sempre que a integridade da pá é crítica para a segurança e os sensores convencionais não conseguem alcançar as peças rotativas.
Motores de turbina a gás
- Desenvolvimento de motores de avião e ensaios de certificação.
- Colocação em funcionamento de turbinas de gás industriais.
- Monitorização contínua das pás dos compressores e das turbinas.
- Deteção de vibrações e ressonâncias.
Turbinas a vapor
- Monitorização das pás da turbina de baixa pressão (LP).
- Deteção de danos nas pás ou ressonância.
- Avaliação da vibração de pás LP longas e delgadas.
Ventiladores e compressores de grande porte
- Ventiladores de tiragem induzida em centrais eléctricas.
- Fases do compressor axial.
- Monitorização do estado dos rotores de pás críticas em geral - um problema que de outra forma seria diagnosticado através de frequência de passagem das pás na vibração da caixa.
4. Informações prestadas
Uma instalação BTT madura produz muito mais do que um único número de saúde; caracteriza cada pá em várias dimensões.
Comportamento individual da pá
- Cada pá é monitorizada separadamente, pelo que o analista pode ver com precisão quais as pás que estão a vibrar.
- A pá fissurada revela-se através de uma frequência natural deslocada em relação aos seus vizinhos.
- Os danos por objetos estranhos (FOD) são detetados como uma alteração súbita no comportamento de uma pá.
Frequências de vibração
- Mede a pá frequências naturais durante o funcionamento efetivo.
- Deteta condições de ressonância e identifica flutter (vibração aeroelástica).
- Caracteriza a resposta forçada sob cargas de funcionamento - estreitamente relacionada com a forças aerodinâmicas que excitam as lâminas.
Avaliação de Tensão
- A deflexão da lâmina é convertida em tensão de flexão.
- Permite a monitorização da fadiga de alto ciclo em relação aos limites do projeto.
- Suporta a previsão de vida útil restante da lâmina.
5. Vantagens em relação aos extensómetros
O BTT ganhou o seu lugar, em grande parte, ao ultrapassar os limites práticos dos extensómetros montados na lâmina.
Sem Instrumentação Rotativa
- Os extensómetros devem ser colados nas lâminas e necessitam de anéis deslizantes ou telemetria para obter o sinal do rotor - complexo e dispendioso.
- A BTT utiliza apenas sensores fixos, o que permite reduzir os custos e a complexidade.
Todas as pás monitorizadas
- Os extensómetros só são práticos em uma ou duas lâminas; a BTT monitoriza todas as lâminas da fase.
- Esta visão completa da população identifica as lâminas anómalas que algumas amostras instrumentadas não detectariam.
Capacidade Permanente
- O BTT pode ser instalado de forma permanente para uma utilização contínua ou periódica monitorização de condições, enquanto que os extensómetros são normalmente utilizados apenas para ensaios.
6. Desafios
A técnica é poderosa mas exigente, e as suas dificuldades concentram-se em três domínios.
Processamento complexo de sinais
- Os dados são fortemente subamostrados - apenas alguns pontos por rotação - pelo que são necessários algoritmos sofisticados para reconstruir a vibração.
- Aliasing é um perigo constante e é essencial dispor de software especializado dedicado.
Requisitos de instalação
- Os sensores têm de aceder ao percurso da lâmina, o que pode exigir modificações na caixa.
- O posicionamento do sensor deve ser preciso e o sistema deve ser calibrado para a geometria específica da lâmina.
Questões ambientais
- A contaminação por gases de escape ou óleo pode cegar os sensores ópticos.
- As temperaturas elevadas exercem pressão sobre os sensores e a vibração da caixa pode corromper a medição do tempo de chegada.
A cronometragem da ponta da pá é um método especializado, mas de capacidade única, de medição não intrusiva da vibração da pá em turbomáquinas. Ao cronometrar as chegadas das pontas das pás em vários locais do sensor com uma precisão de microssegundos, a BTT monitoriza o estado de cada pá num estágio, detecta ressonâncias e fissuras e ajuda a evitar falhas catastróficas das pás em turbinas a gás e outras máquinas de pás em que a integridade das pás é a diferença entre o funcionamento seguro e a destruição. Para o rotor como um todo - e não para as suas pás individuais - essas mesmas máquinas continuam a ser equilibradas e a apresentar tendências com os sistemas convencionais análise de vibração; o grosso desequilíbrio de um rotor de ventilador ou compressor, por exemplo, é medido e corrigido no local com um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A, a trabalhar nos próprios rolamentos da máquina à velocidade de funcionamento. A BTT e a equilibragem ao nível do veio trabalham, assim, em escalas diferentes do mesmo problema — uma observa a flexão de cada pá, a outra mantém sob controlo as forças de rotação do rotor (uma vez por revolução).
