OKREŚ LANIE CHARAKTERYSTYK DRGANIOWYCH SILNIKÓW TURBINOWYCH W STANACH NIEUSTALONYCH

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LII NR 3 (186) 2011 Anrzej Grzą ziela Akaemia Marynarki Wojennej OKREŚ LANIE CHARAKTERYSTYK DRGANIOWYCH SILNIKÓW TURBINOWYCH W STANACH NIEUSTALONYCH STRESZCZENIE W artykule przestawiono metoę wyznaczania charakterystyk rganiowych okrętowych turbinowych silników spalinowych. Zaproponowano sposób akwizycji anych z pomiarów w stanach nieustalonych oraz metoykę baań procesów rganiowych zachozących w procesach zimnego i gorącego rozruchu oraz wybiegu wirnika wytwornicy spalin. Słowa kluczowe: silnik turbinowy, charakterystyki, rgania. WSTĘP Okrętowe turbinowe silniki spalinowe pracując w otwartym ukłazie przepływu czynnika roboczego, zasysają znaczne ilości powietrza zawilgoconego parą woną, kroplami woy morskiej i opaów atmosferycznych. Śroowisko morskie, rgania funamentów spowoowane pływaniem na fali oraz pracą śrub okrętowych, kołysanie wzłużne i poprzeczne i tym poobne czynniki wpływają systematycznie na pogorszenie się stanu technicznego pozespołów silników. Konsekwencją wspomnianych oziaływań jest pogarszanie się stanu technicznego kanałów przepływowych maszyn wirnikowych (osay, erozja itp.). Znaczna część tych zmian znajuje ozwiercielenie we wzroście energii yssypowanej wibroakustycznej. ZAKRES BADAŃ Analizy pomiarów rgań, przeprowazane w trybie off-line, la stanów ustalonych wykonywane są zwykle w celu wykrycia symptomów nieprawiłowej 57

2 Anrzej Grząziela pracy silnika pogorszenia jego stanu technicznego [1, 2, 4, 5]. Najczęściej baania takie służą o jakościowej ientyfikacji eksploatacyjnego niewyrównoważenia wirnika poczas eksperymentów biernych wykonanych w rzeczywistych warunkach pracy silnika na okręcie. Wybór punktów pomiarowych yktują realne możliwości zainstalowania czujników kontrolowanych wielkości, bez ingerencji w konstrukcję. O ich rozmieszczeniu ecyuje analiza teoretyczna oziaływań oraz struktura silnika [1]. Celem baań było ustalenie możliwości rozpoznawania postawowej niesprawności silników turbinowych niewyrównoważenia zespołu wirnikowego poprzez pomiar parametrów rganiowych w stanach nieustalonych. Traktując wirnik silnika turbinowego jako niewyrównoważony, siłę reakcji prostopałej o osi obrotu wału wirnika opisano równaniem [3]: 2 F = mω r sinωt (1) i stosując równanie różniczkowe rgań wymuszonych w postaci:.. 2 F x+ 2h x+ ω x = p( t) =, (2) m gzie: tłumienie c k h = ; częstość ω =, (3) 2m m otrzymano zależność la wirnika niewyrównoważonego w postaci: && x + hx& + ω x = eω ωt, (4) sin gzie: mr n e = m (5) jest niewyrównoważeniem właściwym, przypaającym na jenostkę masy wirnika. Ponieważ ruch wirującego wirnika opisano równaniami: x = acosωt+ bsinωt ; (6) x& = aω sinωt+ bωcos ωt ; (7) 2 2 && x = aω cosωt+ bω sinωt, (8) to postawiając związki (6), (7) i (8) o związku (4), otrzymano: ( 2 )cos ( 2 )sin sin aω + hbω+ aω ωt+ bω haω+ bω ωt = eω ωt. (9) 58 Zeszyty Naukowe AMW

3 Określanie charakterystyk rganiowych silników turbinowych Tożsamość (9) bęzie spełniona, kiey: 3 2hω a = e ; (10) ( ω ω ) + 4h ω ω ( ω ω ) b= e. (11) ( ω ω ) 2 ω h Całka szczególna (7) przyjmie wówczas postać: x = A sin( ωt+ φ ), (12) 0 gzie: A a b 2 2 = + = 2 eω ( ω ω ) + 4h ω ; (13) a tgφ = = 2hω b ω ω. (14) Rozwijając równanie ruchu w szereg trygonometryczny Fouriera, przy uwzglęnieniu wielu rzeczywistych skłaowych A i, uzyskano sygnał reprezentowany w postaci kilku zmiennych zależnych A i określonych la różnych częstości, w tym harmonicznych ω i [4]. Ponieważ rejestrowane sygnały są uśreniane czasowo, a sam sygnał rgań baany w trybie free-run nie jest synchronizowany, więc wstępnie przy pomiarze sygnału wpływ kąta fazowego ϕ i można pominąć. Z powyższego wynika, że powstałe rgania, wynikające z niewyrównoważenia, są rganiami harmonicznymi o postawowej częstości siły wymuszającej równej częstości wirowania wału. Rejestrowana wartość amplituy A, jak wiać z (13), bęzie funkcją liniowo zależną o niewyrównoważenia i o prękości obrotowej w rugiej potęze. Wynika z tego wniosek, że aby baania bez sygnału synchronizującego były powtarzalne, należy je wykonywać przy ustabilizowanym obciążeniu i stałej prękości obrotowej. Ze wzglęu na zmiany wartości moułu Younga w funkcji temperatury przyjęto, że poprawnym miejscem pomiaru na silniku jest zimny punkt poparcia wirnika gniazo łożyska przeniego lub śrokowego sprężarki wytwornicy spalin GG, a kierunek pomiaru zgony z wektorem reakcji ośrokowej promieniowy. Ponieważ równania różniczkowe opisujące ruch wału mają charakter nieliniowy, należy uwzglęnić zakres częstotliwości opowiaający I, II i III harmonicznej sygnału postawowego. Do wykonania baań weryfikacyjnych użyto systemu PULSE v.12.0 oraz piezoelektrycznych czujników przyspieszeń rgań. Przetworniki pomiarowe zamontowano 3 (186)

4 Anrzej Grząziela w pobliżu czujników okrętowego systemu monitoringu na kołnierzu sprężarki, prostopale o osi wirowania oraz na śrokowym łożyskiem turbiny napęowej. CHARAKTERYSTYKI PARAMETRÓW DRGANIOWYCH W PROCESIE AKCELERACJI I DECELERACJI SILNIKA LM 2500 Analiza parametrów rganiowych w stanach nieustalonych jest rzako stosowana w systemach iagnostycznych turbinowych silników spalinowych. Postawową przyczyną utruniającą jej stosowanie jest konieczność zakupu kosztownej aparatury, występowanie gwałtownych zmian temperatury w obrębie wirników oraz wymóg generowania sygnałów synchronizujących prękość obrotową wirnika. W baaniach wykorzystano system PULSE i skupiono się na procesach rozruchu i wybiegu wirnika GG celem ientyfikacji pierwotnych symptomów powstającego niewyrównoważenia wirnika. Silniki LM 2500 mają trzy rozaje rozruchu: zimny, pozorny i gorący. Wykorzystanie pierwszego z procesów rozruchu pozwala na akcelerację wirnika GG o prękości obrotowej ngg = 3000 obr/min w czasie około 12 sekun, natomiast rozruch gorący silnika prowazi o uzyskania przez wirnik GG prękości obrotowej ngg = 6000 obr/min w czasie około 15 sekun (rys. 1.). Oznacza to, że w trakcie rozruchu gorącego następuje znaczący wzrost przyspieszeń kątowych wirnika, co utrunia ientyfikację lokalnych rezonansów. Z tego powou w alszych baaniach stanu technicznego wirnika wykorzystano głównie pierwszy z procesów rozruchowych. Wstępne testy wykonano z zastosowaniem synchronizmu sygnałów, rejestrując prękość obrotową wirnika optycznym znacznikiem bęącym elementem okrętowego systemu monitoringu silników LM 2500 (rys. 2.). Kolejne baania umożliwiły wykonanie charakterystyk z wykorzystaniem proceury AUTOTRACKING, bez znacznika kątowego na wale wirnika. Baania w stanach nieustalonych mają na celu ientyfikację lokalnych rezonansów oraz pierwotnych uszkozeń zmęczeniowych ujawniających się w sposób jenoznaczny w procesie akceleracji i eceleracji wirnika. Czas procesu rozruchu zimnego razem z wybiegiem wynosi około 110 sekun, co umożliwia pełny zapis anych przez owolny system analityczno-pomiarowy. Rejestrowanie sygnałów rganiowych w trybie free-run nie spełnia iagnostycznych wymagań ze wzglęu na zmienne parametry wejściowe uzależnione mięzy innymi o ciśnienia powietrza rozruchowego, ponato poczas realizacji pomiarów w trybie free-run skłaowe harmoniczne nie ukłaają się równolegle, a więc ich ientyfikacja jest utruniona. 60 Zeszyty Naukowe AMW

5 Określanie charakterystyk rganiowych silników turbinowych Rys. 1. Przykłaowy przebieg zmian prękości obrotowej wirnika GG przy zatrzymaniu procesu gorącego rozruchu, o 17 sekuny wioczny wybieg wirnika GG Źróło: opracowanie własne. Rys. 2. Przykłaowe wimo przyspieszeń rgań zarejestrowane w procesie rozruchu zimnego silnika LM 2500 Źróło: opracowanie własne. W trakcie baań procesu rozruchu i wybiegu analizuje się relacje wartości kolejnych harmonicznych, co charakteryzuje niewyrównoważenie wirnika [3]. Innym symptomem jest wzrost chwilowych wartości przyspieszeń rgań, który może być rozpatrywany zarówno w ziezinie przyrostu prękości uruchamianego wirnika (rys. 3.), jak i w ziezinie czasu rozruchu (rys. 4.). Zastosowanie obu proceur pozwala zientyfikować wpływ procesu spalania na zmiany rganiowych symptomów iagnostycznych, a także lokalne rezonanse. Równoczesna obserwacja parametrów rganiowych i prękości obrotowej umożliwia znalezienie relacji pomięzy wytypowanym sygnałem rganiowym a procesami zachozącymi w trakcie rozruchu i wybiegu. Wyniki uzyskane z baań silników umożliwiły wykonanie wzorcowych charakterystyk AUTOTRACKING la całej populacji baanych obiektów. [m/s²] 20m 16m 12m Autospectrum(Signal 2) - Input - slice Working : Input : MB Run-up : Orer Analyzer (Autotracker) [m/s²] Autospectrum(Signal 2) - Input - slice Working : Input : MB Run-up/own : Orer Analyzer (Autotracker) 1,2 800m 8m 4m k 1,2k 1,4k 1,6k [RPM] (Average Spee - Autotracker) Rys. 3. Przykłaowa charakterystyka przyspieszeń rgań (I harmoniczna) z wykorzystaniem proceury AUTOTRACKING w procesie rozruchu gorącego silnika LM 2500 Źróło: opracowanie własne. 400m [s] (Time) Rys. 4. Przykłaowa charakterystyka przyspieszeń rgań (III harmoniczna) z wykorzystaniem proceury AUTOTRACKING w procesie gorącego rozruchu silnika LM 2500 Źróło: opracowanie własne. 3 (186)

6 Anrzej Grząziela Przeprowazone baania pilotażowe poparte wynikami symulacji numerycznych pozwoliły określić postacie rgań własnych wirnika wytwornicy spalin. Uzyskane wyniki wskazują w wimie prękości i przyspieszeń rgań skłaowe, które są efektem lokalnych rezonansów występujących zarówno w procesie rozruchu, jak i wybiegu wirnika. Interesujący jest fakt, że każy z teoretycznie ientycznych silników ma własne cechy charakterystyczne w wimie rgań określone roboczo jako fingerprints (ociski palców). WNIOSKI Postawowym narzęziem baawczym la analiz w stanach nieustalonych przy braku możliwości pozyskania sygnału synchronizującego jest proceura AUTOTRACKING. Wykorzystanie ślezenia rzęów ma zastosowanie zarówno w procesie rozruchu, jak i wybiegu. Prowazone analizy umożliwiły przestawienie procesu akceleracji i eceleracji w postaci: analizy rzęów prękości rgań w ziezinie czasu lub zmian prękości obrotowej wirnika wytwornicy spalin; analizy rzęów przyspieszeń rgań w ziezinie czasu lub zmian prękości obrotowej wirnika wytwornicy spalin; analizy zmian wartości wytypowanej harmonicznej prękości lub przyspieszeń rgań w ziezinie czasu lub zmian prękości obrotowej wirnika wytwornicy spalin; analizy zmian prękości obrotowej wytwornicy spalin (ślezenie rzęu) w funkcji czasu (tzw. czas wybiegu). Schemat ieowy ientyfikacji zmian w rozpatrywanych analizach przestawia rysunek 5. Postawowym problemem, związanym z wykonywaniem pomiarów na obiektach rzeczywistych, jest wybór miejsc mocowania czujników pomiarowych. Wyniki baań oraz ientyfikacja moelu numerycznego wirnika GG wskazują, że mimo truności związanych z realnymi możliwościami instalacji czujników zaproponowany obór punktów pomiarowych jest słuszny. Analiza teoretyczna pozwoliła określić zakres niezbęnych baań oraz przygotować program ANALIZA, którego zaaniem jest archiwizacja anych oraz ich przetwarzanie. 62 Zeszyty Naukowe AMW

7 Określanie charakterystyk rganiowych silników turbinowych Rys. 5. Schemat ieowy ientyfikacji zmian w stanach nieustalonych przy analizach AUTOTRACKING Źróło: opracowanie własne. Porównanie zarejestrowanych parametrów rozruchów i wybiegów wirnika GG w trakcie jego eksploatacji pozwala na określenie zmian stanu technicznego obiektu związanych mięzy innymi ze zmianami momentu bezwłaności (uszkozenie łopatek lub obecność oleju w przestrzeni wewnętrznej bębna wytwornicy spalin, oporów pracy łożyskowania itp.). BIBLIOGRAFIA [1] Aamkiewicz A., Łutowicz M., An Attempt to Evaluate the Technical Conition of a Ship Auxiliary Driving Unit with a Gas Turbine Engine on the Basis of Vibrations, Marine Technology Transactions, Polish Acaemy of Sciences, Branch in Gańsk, 2000, Vol. 11, p. 19. [2] Charchalis A., Grząziela A., Diagnozowanie zespołów wirnikowych okrętowych turbinowych silników spalinowych w oparciu o analizę parametrów wibroakustycznych, II International Congress of Technical Diagnostics, Diagnostyka 2000, Politechnika Warszawska, Warszawa, (186)

8 Anrzej Grząziela [3] Grząziela A., Diagnosing of naval gas turbine rotors with use of vibroacoustic parameters, Polish Maritime Research, 2000, No 3. [4] Łączkowski R., Wyważanie elementów wirujących, Wyawnictwo Naukowo- -Techniczne, Warszawa [5] Monitorowanie stanu maszyn, Brüel & Kjaer, Naerum Dania. K. Larsen & Sфn A/S, DK-2600 Glostrup, DETERMINING VIBRATION CHARACTERISTICS IN MARINE TURBINE ENGINES IN TRANSIENTS CONDITIONS ABSTRACT The paper presents a metho for etermining vibration characteristics in marine turbine engines. It proposes a way of ata acquisition from measurements in transient conitions, as well as methoology for investigating vibration processes occurring uner run-up an shut-own engine processes an rotor coasting of gas generator. Keywors: turbine engine, characteristics, vibrations. 64 Zeszyty Naukowe AMW