Razumevanje merjenja časa prehoda konice lopatice
Merjenje časa prehoda konice lopatice (BTT - imenovan tudi neinvazivni sistem za merjenje stresa ali NSMS) je napredna tehnika za spremljanje vibracije in obremenitev posameznih lopatic turbine, kompresorja ali ventilatorja z uporabo stacionarnih optičnih ali kapacitivnih senzorjev, ki beležijo natančen čas prihoda vsake konice lopatice mimo senzorja. S primerjavo dejanskega časa prihoda s časom, pričakovanim glede na hitrost rotorja, sistem BTT izračuna odklon lopatice, frekvenco in amplitudo vibracij ter lahko označi resonanco lopatic, razpoke in nenormalno gibanje za vsako lopatico posebej - vse to brez kakršnih koli instrumentov na samih vrtečih se lopaticah. To je glavna metoda spremljanja stanja lopatic v plinskih turbinah, od letalskih motorjev do industrijskih enot, in je ključnega pomena za ugotavljanje stanja lopatic. utrujenost, resonanco in poškodbe zaradi tujih predmetov, ki lahko sicer prerastejo v katastrofalno odpoved lopatice in uničenje motorja.
1. Načelo delovanja: merjenje časa prihoda
BTT deluje tako, da vsako konico lopatice obravnava kot premikajoč se dogodek in njen prehod časovno izmeri z izjemno natančnostjo. Merilna veriga poteka takole:
- Položaj senzorjev: več senzorjev - običajno dva do osem - je razporejenih po obodu ohišja na znanih kotnih lokacijah.
- Pričakovani prihod: iz trenutne vrtilne frekvence rotorja (ki jo enkrat na obračanje tahometer ali Keyphasor ), sistem izračuna, kdaj je vsaka konica lopatice bi moral doseže vsako tipalo.
- Dejanski prihod: senzor zazna dejanski prehod konice z mikrosekundno natančnostjo.
- Časovna razlika: vsako odstopanje med pričakovanim in dejanskim prihodom pomeni odklon lopatice - konica pride prej ali pozneje zaradi upogibanja lopatice.
- Več senzorjev: več meritev prihodov na obrat, opravljenih na različnih obodnih položajih, omogoča sistemu, da rekonstruira vibracije lopatice.
- Po posameznih lopaticah: vsaka lopatica v stopnji se spremlja posamezno, zato odstopajoče lopatice izstopajo iz množice.
Izračun deformacije
Pretvarjanje časa v gibanje je stvar geometrije: časovno odstopanje, pomnoženo s hitrostjo konice lopatice, daje pomik konice, ta pomik pa je neposredno merilo upogibanja ali vibracij lopatice. Ker se konice premikajo tako hitro, mikrosekundna časovna ločljivost pomeni mikrometrsko ločljivost pomika - dovolj natančno, da opazimo vibracije veliko prej, preden postanejo nevarne.
2. Vrste senzorjev
Izbira senzorja je odvisna od okolja, materiala rezila in stopnje onesnaženosti, ki jo mora senzor prenesti.
Optični senzorji
- Uporabite laserski ali LED-vir svetlobe s fotodetektorjem, ki zaznava odbito svetlobo od prehajajoče konice lopatice.
- Najpogostejši tip senzorja BTT, ki zagotavlja dobro natančnost in zanesljivost - konceptualno povezan z fotoelektrični senzorji in . optični tahometri ki se uporabljajo drugje pri vibracijskem delu.
Kapacitivni senzorji
- Zaznajo konico lopatice prek spremembe kapacitivnosti ob prehodu.
- Zahtevajo prevodno lopatico, vendar nanje onesnaženje vpliva manj kot na optične senzorje - za ceno krajšega dosega zaznavanja.
Senzorji vrtinčnih tokov
- Načeloma podobno kot bližinske sonde in . sonde za vrtinčne tokove se uporablja za nadzor gredi.
- zaznajo kovinska rezila ter so robustni in zanesljivi v težkih razmerah.
3. Aplikacije
Sistem BTT se uporablja povsod, kjer je integriteta lopatic ključnega pomena za varnost, običajni senzorji pa ne morejo doseči vrtečih se delov.
Plinskoturbinski motorji
- Razvoj letalskih motorjev in certifikacijsko testiranje.
- Zagon industrijskih plinskih turbin.
- Neprekinjeno spremljanje kompresorskih in turbinskih lopatic.
- Zaznavanje tresljajev in resonance.
Parne turbine
- Spremljanje nizkotlačnih (LP) turbinskih lopatic.
- odkrivanje poškodb ali resonance rezil.
- Ocenjevanje vibracij dolgih in vitkih lopatic LP.
Veliki ventilatorji in kompresorji
- Ventilatorji z induciranim vlekom v elektrarnah.
- Stopnje aksialnega kompresorja.
- Spremljanje stanja rotorjev s kritičnimi lopaticami na splošno - težava, ki se sicer diagnosticira z frekvenca prehoda lopatic pri vibracijah ohišja.
4. Zagotovljene informacije
Zrel sistem BTT daje veliko več kot le en kazalnik stanja; vsako lopatico opiše v več razsežnostih.
Vedenje posamezne lopatice
- Vsako rezilo se spremlja ločeno, zato lahko analitik natančno vidi, katera rezila vibrirajo.
- A poškodovana lopatica razkriva s premaknjeno lastno frekvenco glede na svoje sosede.
- Poškodbe zaradi tujih predmetov (FOD) se zaznajo kot nenadna sprememba v obnašanju lopatice.
Frekvence vibracij
- Meri vibracije lopatic lastne frekvence med dejanskim delovanjem.
- Zaznava resonančna stanja in prepoznava flutter.
- Opredeljuje prisilni odziv pri obratovalnih obremenitvah - tesno povezan z aerodinamične sile ki vzbujajo lopatice.
Ocena stresa
- Deformacija lopatice se pretvori v upogibno napetost.
- Omogoča spremljanje utrujenosti v visokem ciklu glede na konstrukcijske omejitve.
- Podpira napovedovanje preostala življenjska doba rezila.
5. Prednosti pred merilniki napetosti
BTT si je svoje mesto zaslužil predvsem s premagovanjem praktičnih omejitev merilnikov napetosti, nameščenih na rezilu.
Brez vrtečih se instrumentov
- Merilnike napetosti je treba prilepiti na lopatice in potrebujejo drsne obroče ali telemetrija za prenos signala z rotorja - zapleteno in drago.
- BTT uporablja samo stacionarne senzorje, kar omogoča nižje stroške in zapletenost.
Spremljajo se vse lopatice
- Tenzometri so praktični le na eni ali dveh lopaticah, BTT pa spremlja vse lopatice v fazi.
- Ta pregled celotne populacije omogoča prepoznavanje izstopajočih rezil, ki bi jih nekaj instrumentaliziranih vzorcev spregledalo.
Stalna zmogljivost
- BTT je lahko trajno nameščen za neprekinjeno ali občasno spremljanje stanja, medtem ko so tenzometri običajno namenjeni le za testno vgradnjo.
6. Izzivi
Tehnika je učinkovita, vendar zahtevna, njene težave pa so na treh področjih.
Kompleksna obdelava signalov
- Podatki so močno podvzorčeni - le nekaj točk na obrat - zato so za rekonstrukcijo vibracij potrebni zapleteni algoritmi.
- Aliasiranje predstavlja stalno nevarnost, zato je nujna posebna specializirana programska oprema.
Zahteve za namestitev
- Senzorji morajo imeti dostop do poti lopatic, kar lahko zahteva spremembo ohišja.
- Položaj senzorja mora biti natančen, sistem pa umerjen za določeno geometrijo rezila.
Okoljska vprašanja
- Onesnaženje z izpušnimi plini ali oljem lahko zaslepi optične senzorje.
- Visoke temperature obremenjujejo senzorje, vibracije ohišja pa lahko izkrivijo merjenje časa prihoda.
Merjenje časa prehoda konic lopatic je specializirana, vendar izjemno zmogljiva metoda neinvazivnega merjenja vibracij lopatic v turbostrojih. Z merjenjem časa prihoda konic lopatic na več položajih senzorjev z mikrosekundno natančnostjo BTT spremlja stanje vsake lopatice v stopnji, odkriva resonance in razpoke ter pomaga preprečevati katastrofalne okvare lopatic v plinskih turbinah in drugih lopatičnih strojih, kjer celovitost lopatic loči varno delovanje od uničenja. Za rotor kot celoto - v nasprotju z njegovimi posameznimi lopaticami - se isti stroji še vedno uravnotežijo in spremljajo z običajnimi analiza vibracij; večji del neuravnoteženost rotorja ventilatorja ali kompresorja se na primer izmeri in popravi na kraju samem s prenosnim dvokanalnim analizatorjem, kot je Balanset-1A, ki deluje v lastnih ležajih stroja pri obratovalni hitrosti. BTT in uravnoteženje na ravni gredi tako delujeta na različnih ravneh istega problema - eno spremlja upogibanje vsake lopatice, drugo pa drži pod nadzorom sile celotnega rotorja, ki se pojavijo enkrat na obrat.
