Entendendo o tempo de contato da ponta da lâmina
sincronização da ponta da lâmina (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 da lâmina, A monitorização da saúde das pás é o principal método de monitorização da saúde das pás em turbinas a gás, desde motores de aeronaves a unidades industriais, e é fundamental para detetar fissuras e movimentos anormais numa base de pá a pá - tudo isto sem qualquer instrumentação nas próprias pás rotativas. É o principal método de monitorização do estado das pás em turbinas de gás, desde motores de aviões a unidades industriais, e é fundamental para detetar as fadiga, A ressonância e os danos provocados por objectos 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 de lâmina como um evento em movimento e cronometrando-o 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 um tacômetro ou chave fasor referência), o sistema calcula quando cada ponta de lâmina 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 lâmina - a ponta chega mais cedo ou mais tarde porque a lâmina está a flexionar.
- Vários sensores: Várias medições de chegada por rotação, efectuadas em diferentes posições circunferenciais, permitem ao sistema reconstruir a vibração da lâmina.
- Lâmina por lâmina: cada lâmina na fase 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 lâmina dá o deslocamento da ponta, e esse deslocamento é uma medida direta da flexão ou vibração da lâmina. Uma vez que as pontas se movem tão rapidamente, a resolução do tempo ao microssegundo traduz-se numa resolução de deslocação 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 lâmina e a quantidade de contaminação que o sensor deve tolerar.
Sensores Ópticos
- Utilize uma fonte de luz laser ou LED com um fotodetector que detecta a luz reflectida pela ponta de passagem.
- 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
- Detetar a ponta da lâmina através da alteração da capacitância à medida que esta passa.
- Requerem uma lâmina condutora, mas são menos afectados pela contaminação do que os sensores ópticos - 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.
- Detectam lâminas metálicas e são robustos e fiáveis em condições adversas.
3. Aplicações
A BTT é utilizada sempre que a integridade da lâmina 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 da lâmina da turbina a baixa pressão (LP).
- Deteção de danos na lâmina ou ressonância.
- Avaliação da vibração de lâminas 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 lâmina em várias dimensões.
Comportamento individual da lâmina
- Cada lâmina é monitorizada separadamente, pelo que o analista pode ver com precisão quais as lâminas que estão a vibrar.
- A lâmina fissurada revela-se através de uma frequência natural deslocada em relação aos seus vizinhos.
- Os danos por objectos estranhos (FOD) são detectados como uma alteração súbita no comportamento de uma lâmina.
Frequências de vibração
- Mede a lâmina frequências naturais durante o funcionamento efetivo.
- Detecta condições de ressonância e identifica vibrações.
- Caracteriza a resposta forçada sob cargas de funcionamento - estreitamente relacionada com a forças aerodinâmicas que excitam as lâminas.
Avaliação do Estresse
- 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.
Instrumentação não 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 lâminas monitoradas
- 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 monitoramento 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 de sinais complexos
- 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 Conjunto de equilíbrio-1a, A BTT e a equilibragem ao nível do veio trabalham em diferentes escalas do mesmo problema - uma observa a flexão de cada pá, a outra mantém as forças de rotação do rotor sob controlo. 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.
