Edward Dzięcioł, Małgorzata Perz, Radosław Przysowa, Ryszard Szczepanik 1

Transkrypt

1 MONITOROWANIE STANU ŁOPATEK TURBIN PAROWYCH I GAZOWYCH W SYSTEMACH ELEKTROENERGETYCZNYCH METODĄ MIKROFALOWEJ DETEKCJI HOMODYNOWEJ Edward Dzięcioł, Małgorzata Perz, Radosław Przysowa, Ryszard Szczepanik 1 Streszczenie: W artykule przedstawiono problematykę wykonywania pomiarów parametrów ruchu (drgań) wirujących elementów w ekstremalnych warunkach pracy, jakie panują w kanałach przepływowych turbin gazowych i parowych. Zaproponowano wykonywanie badań łopatek turbozespołów w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem mikrofalowego czujnika ruchu, współpracującego z układami wykorzystującymi detekcję homodynową sygnału wysokiej częstotliwości oraz częstotliwościowy pomiar odcinków czasu. Wskazano na główne problemy techniczne metody podczas wykonywania pomiarów na rzeczywistym obiekcie, jak również perspektywy wykorzystania systemu pomiarowego w aspekcie oceny stanu technicznego zespołów turbin energetycznych. Słowa kluczowe: łopatki turbin, diagnostyka maszyn, mikrofale Wprowadzenie W Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych prowadzone są badania związane z zastosowaniem bezdotykowej metody diagnozowania stanu technicznego łopatek wirnikowych turbiny silnika lotniczego z wykorzystaniem mikrofalowego czujnika ruchu typu MUH (mikrofalowy układ homodynowy) [1, 2]. Taki układ może być również zastosowany do oceny stanu technicznego łopatek innych maszyn wirnikowych, np.: turbin parowych. Dotychczas stosowane tam metody ograniczają się do sprawdzania parametrów łopatek na etapie produkcji i remontu. Obecnie nie ma możliwości bezpośredniego badania stanu technicznego łopatek turbin podczas pracy zespołu energetycznego. Jest to o tyle istotne, że podniesienie sprawności wytwarzania energii jako całościowego parametru ekonomicznego wiąże się ze zbliżeniem się wartości średniej temperatury doprowadzonego ciepła do wartości maksymalnej, ograniczonej własnościami wytrzymałościowymi materiałów, tym bardziej, że temperatury te w turbinach gazowych już od dawna osiągają wartości ponad 1000 o C. W tych warunkach jednym z możliwych sposobów monitorowania stanu maszyn wirnikowych w czasie rzeczywistym jest metoda radiolokacji bliskiego zasięgu, z wykorzystaniem ciągłej fali elektromagnetycznej. Przykładem takiego urządzenia jest Mikrofalowym Układ Homodynowy, opracowany w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych. Właściwości czujnika MUH Pracy każdego zespołu wirnikowego nieodłącznie towarzyszą drgania. Monitorowanie poziomu i struktury widma wibracji i hałasu akustycznego umożliwia ocenę stanu technicznego maszyny [3, 4]. Wystąpienie nieprawidłowości w funkcjonowaniu urządzenia, a w tym łopatek, objawia się w postaci przekraczania określonych poziomów wibroprzeciążenia oraz znaczących zmian w strukturze widma drgań. Stwierdzono, że czujnik mikrofalowy MUH może zostać wykorzystany w badaniach wibroakustycznych maszyn, i to pomimo tego, że nie mierzy się nim bezpośrednio amplitudy drgań, lecz dynamikę części ruchomych [5]. 1 Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Warszawa, ul. Księcia Bolesława 6, skr. poczt. 96, tel fax , radoslaw.przysowa@itwl.pl

2 Amplituda sygnału elektrycznego wytworzonego w układzie pomiarowym zasadniczo określa jaka część mikrofal, wyemitowanych przez antenę, wraca do niej po odbiciu od badanych obiektów. Wynika z tego, że w sygnale są odwzorowywane zmiany położenia powierzchni wierzchołkowych wirujących piór łopatek względem apertury anteny. Oprócz ruchu postępowego łopatek przenoszona jest informacja o zmianach położenia palisady łopatek wirnikowych względem anteny, wynikających z ruchów ich tarczy nośnej. Podobnie bicie wału oraz innego rodzaju drgania zespołu wirnika turbiny powodują przesunięcie łopatek względem czoła czujnika, nie wynikające z ruchu obrotowego palisady. Modyfikuje to odpowiednio kształt impulsów generowanych przez kolejne łopatki. Efektem oddziaływania zjawisk wibroakustycznych na warunki wykonywania pomiaru po przez antenę układu MUH jest wprowadzenie do widma otrzymywanego sygnału składowych odpowiadających poszczególnym źródłom drgań. W układzie omawianego czujnika MUH wykorzystywany jest odbiór homodynowy sygnału. Detekcja homodynowa charakteryzuje się dużą czułością i świetnie nadaje się do detekcji słabych sygnałów (tzn. słabych w stosunku do szumu). W układzie czujnika sygnał dzielony jest na dwie części jedna jest traktowana jako sygnał odniesienia, druga część jest propagowana do układu anteny, gdzie jest odbijana od poruszających się łopatek i po odbiciu jest sumowana z sygnałem odniesienia. Na rys. 1 został przedstawiony układ czujnika zbudowanego w ITWL. Rys.1. Układ mikrofalowego czujnika MUH Rys.2 Sposób zamontowania czujnika (w tym przypadku w korpusie turbiny silnika typu SO-3)

3 Wykorzystaniem mikrofalowego urządzenia homodynowego do badań łopatek turbiny Układ czujnika powinien być zamocowany w taki sposób by antena była umieszczona prostopadle do powierzchni wierzchołkowej piór łopatek (rys. 2). Kiedy łopatka znajduje się bezpośrednio przed czołem anteny następuje zwieranie mikrofalowego obwodu rezonansowego, natomiast kiedy czujnik jest skierowany w środek przestrzeni pomiędzy łopatkami obwód jest otwarty. Na rys. 3 przedstawiono przykładowy sygnał, jaki można otrzymać podczas badania łopatek turbiny parowej przy pomocy czujnika MUH. Rys.3. Oczekiwany sygnał czujnika MUH od łopatek wybranego stopnia turbiny parowej Wyznaczenie oczekiwanego widma sygnału uzyskanego z czujnika mikrofalowego MUH podczas badania turbiny energetycznej umożliwi analizę ilościową rzeczywistego sygnału i ułatwi powiązanie poszczególnych linii widmowych z potencjalnymi źródłami wymuszeń, jakie występują podczas pracy turbiny. Przykład takiego widma przedstawiono na rys. 4. Pochodzenie kolejnych składowych widma zostało wyjaśnione poniżej. [db] f f 2 50 f f f f 5 f 6 f 7 f f f f Rys.4. Oczekiwane widmo sygnału uzyskanego z MUH od łopatek turbiny parowej Oczekiwane składowe występujące w widmie sygnału od łopatek wybranego stopnia turbiny parowej (liczba łopatek 80, liczba kierownic 44): - 50Hz efekt zdudnienia: f Hz 44 - częstotliwość obrotowa: f 2 50Hz - f f 0.7kHz f częstotliwość wynikająca z ilości łopatek kierowniczych: 50Hz kHz - częstotliwość wynikająca z ilości łopatek wirnikowych: f 4 50Hz 80 4kHz - II harmoniczna od łopatek kierowniczych: 2 2.2kHz 4.4kHz - II harmoniczna od łopatek wirnikowych: 2 4kHz 8kHz f /3 częstotliwości wynikającej z szerokości impulsu: f kHz s f 5 f 3

4 - III harmoniczna od łopatek wirnikowych: f 8 12kHz - IV harmoniczna od łopatek wirnikowych: f 9 16kHz - częstotliwość wynikająca z szerokości pojedynczego impulsu: 1 1 f kHz s - częstotliwość stymulacji drgań czynnika roboczego: 50Hz kHz. Specyfiką turbiny energetycznej jest fakt, iż (poza rozruchem i wybiegiem) jej prędkość obr pozostaje praktycznie stała (z dokładnością do 10 9 ). Spodziewana jest duża min powtarzalność kształtu uzyskiwanych impulsów w kolejnych obrotach. Pozwali to przypisywać je kolejnym łopatkom, a także poddawać przebieg uśrednianiu sygnału co obrót. Ponadto cechą sygnału pochodzącego od wieńca wybranego stopnia będzie niewielki współczynnik wypełnienia rzędu Odstęp czasu pomiędzy poszczególnymi impulsami wynosi 250 s, przy długości ich trwania rzędu 30 s. Dzięki temu pomiędzy impulsami powinno być dobrze widoczne tło sygnału. Niesie ono informacje o niejednorodnościach ośrodka propagacji sygnału sondującego, wpływających na formowanie sygnału czujnika [6]. W widmie sygnału pochodzącego z turbiny energetycznej występować będą składowe pochodzące od turbulencji zawirowań mokrej pary, które mogą być przyczyną niebezpiecznych drgań łopatek turbiny. Z drugiej strony wilgotne powietrze nie tłumi znacząco promieniowania mikrofalowego w zastosowanym zakresie częstotliwości, co sprawia, że czujnik MUH jest odpowiedni do badania pracujących turbin parowych. Ze względu na złożoność oczekiwanego widma sygnału pomiarowego praktyczne wykorzystanie tego przyrządu wymagać będzie przygotowania dedykowanego systemu wyodrębniania i przetwarzania cech sygnału. Po identyfikacji widma sygnału należy dokonać wydzielenia pasma częstotliwości niosącego informację o pracy łopatek. Tak wstępnie przygotowany sygnał można przetwarzać w dziedzinie czasu, co daje potencjalne możliwości wyznaczenia czasu pojawienia się każdej łopatki pod czujnikiem, luzu wierzchołkowego i kąta skręcenia łopatek. Powyższe rozważania są rozważaniami czysto teoretycznymi, uzyskanymi na podstawie szacunków geometrycznych wymiarów turbiny energetycznej oraz doświadczenia autorów, jakie posiadają oni w zakresie badań turbin silników lotniczego. W późniejszym czasie planowany jest eksperyment mający na celu weryfikację powyższych hipotez. Wnioski Podwyższanie mocy turbozespołów realizowane jest przez wzrost liczby stopni oraz przez zwiększanie powierzchni wylotowej części niskoprężnej turbiny. Towarzyszy temu większa złożoność konstrukcji, a w tym wzrost długości piór. Jednakże pomimo rozwoju komputerowych narzędzi wspomagających projektowanie nadal istnieje potrzeba eksperymentalnej weryfikacji obliczeń konstrukcyjnych. Czujnik mikrofalowy MUH może być wykorzystany w pomiarach ruchu łopatek turbin energetycznych. Co prawda przyrząd ma obecnie postać prototypu, odpowiedniego do prac badawczych (np. na odwirowni), ale w przyszłości mógłby być stosowany w czasie eksploatacji turbin do dozorowania pracy łopatek. Wymaga to wykonania urządzenia w wersji przemysłowej, dostosowanego do danego typu zespołu energetycznego. Zastosowanie specjalistycznego przetwarzania otrzymywanego sygnału umożliwi uzyskanie informacji o stanie technicznym łopatek i innych podzespołów turbiny, a także wczesne wykrywanie nieprawidłowości. Możliwość ciągłego monitorowania pracy zespołu energetycznego pozwoli zmniejszyć ryzyko uszkodzeń, awarii i związanych z nimi strat. f 11

5 Literatura [1] DZIĘCIOŁ E., SZCZEPANKOWSKI A., Zastosowanie mikrofalowego czujnika ruchu w diagnozowaniu łopatek turbin. V Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna Diagnostyka Procesów Przemysłowych, Łagów Lubuski [2] DZIĘCIOŁ E., SZCZEPANKOWSKI A. JAŹWIŃSKI J., Microwave detector as used to monitor health/maintenance status of aircraft engine s turbine blades in hot gas, Conference on Turbine of Large Output, Gdańsk [3] ŁĄCZKOWSKI R., Wibroakustyka maszyn i urządzeń, WNT, Warszawa [4] ORŁOWSKI Z., Diagnostyka w życiu turbin parowych, WNT, Warszawa [5] PRZYSOWA R., DZIĘCIOŁ E., SZCZEPANKOWSKI A., SZCZEPANIK R., Zastosowanie analizy widmowej sygnału pomiarowego z mikrofalowego czujnika ruchu do monitorowania pracy turbiny silnika lotniczego VI Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna Diagnostyka Procesów Przemysłowych, VI Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna Diagnostyka Procesów Przemysłowych, Władysławowo [6] PRZYSOWA R., DZIĘCIOŁ E., Koncepcja wykorzystania czujnika mikrofalowego typu MUH do kontroli pracy podzespołów gorącej części silnika lotniczego, Prace naukowe ITWL Technika Lotnicza, Warszawa Blade health monitoring in steam and gas turbines using microwave homodyne detection Abstract: The paper is intended to present some selected issues of taking measurements of rotating components under extreme operating conditions, in particular at high temperature. It shows possibility of using microwaves to determine components of blades motion and estimate some parameters of turbine health. Proposed method is based on homodyne detection of a high-frequency signal and a time of arrival of each blade measurement. Possible applications in power industry and fundamental technical problems of the method while taking measurements on a real object have are described.