Print

Torzní vibrace rotorů turbogenerátorů – měření a diagnostika

-- 10.12.2018

Torsional vibration of turbogenerator rotors – measurement and diagnostics

Anotace

On-line vyhodnocení a predikce poruch turbogenerátoru jsou klíčovým faktorem jeho úspěšného dlouhodobého provozu. Kolísání točivého momentu generátoru, způsobené například nestacionárními podmínkami v elektrizační rozvodné síti, ovlivňuje torzní vibrace hřídele, stejně jako např. vibrace oběžných lopatek turbíny. Příznaky torzních vibrací hřídele nejsou měřitelné běžně používanými čidly vibrací osazenými na turbíně, takže je třeba použít speciální měření. Přímým důsledkem torzních vibrací hřídele je lokální zrychlení nebo zpomalení pohybu obvodu hřídele, pokud je pohyb měřen stacionárním čidlem. Tento článek se zabývá metodou měření torzních vibrací s využitím optické sondy, která snímá odraz od reflexní pásky s proměnnou odrazivostí; páska je nalepena na povrchu rotoru. Torzní vibrace hřídele se projevují jako fázová modulace výstupního signálu optické sondy, takže vzorkovací frekvence ovlivňuje dosažitelné rozlišení měřených vibrací hřídele. Použitý způsob výpočtu torzních vibrací je založen na vyhodnocení okamžité úhlové rychlosti hřídele. Výhodou této metody je přímá kompenzace případné nepravidelné geometrie vzoru reflexní pásky.

Abstract

Online evaluation and prediction of turbine generator failures is a key factor for its successful long-term operation. Generator torque fluctuations, caused by, for example, non-stationary conditions in the power grid, affect the shaft torsional vibration as well as the vibration of the rotating blades. Symptoms of torsional shaft vibration are not measurable by commonly used vibration sensors mounted on the turbine, so special measurements are needed. The direct consequence of torsional shaft vibration is local acceleration or deceleration of movement of the shaft circumference when motion is measured by a stationary sensor. This paper deals with the method of torsional vibration measurement with the use of an optical probe, which senses the reflection of variable reflective tape on the surface of the rotor. Shaft torsion vibration manifests itself as phase modulation of the optical probe output signal so that the sampling frequency affects the achievable resolution of the measured shaft vibration. The presented method of calculating torsional vibrations is based on an evaluation of the shaft instantaneous angular velocity. The advantage of this method is the direct compensation of any irregular geometry of the reflective tape pattern.

1. Úvod

Torzní vibrace turbogenerátoru se projevují jako oscilační relativní úhlový posun jednotlivých částí rotoru. Kvůli torzní deformaci dochází ke změnám napětí v materiálu, které v nejnepříznivějším scénáři mohou způsobit poškození hřídele. Nejdůležitějším zdrojem torzního buzení jsou rychlé změny zátěžného úhlu generátoru, které doprovázejí většinu přechodových dějů v elektrické síti. Připojení nebo odpojení generátoru k elektrizační soustavě či od ní je také důležitým zdrojem torzního buzení. Z diagnostického hlediska je monitorování torzních vibrací obtížné, protože se nešíří z rotoru na statorovou část stroje a nemohou být měřeny pomocí standardních přístrojů pro měření relativních kmitů hřídele nebo měření absolutních vibrací statorových částí. Další nepříznivá charakteristika torzních vibrací, vyplývající z torzní vazby rotoru a statoru, spočívá v tom, že torzní vibrace mají velmi nízké relativní tlumení. Tím může být dosaženo vysokých amplitud vibrací v případě rezonance nebo opakovaného buzení.

Předchozí výzkum diagnostiky torzních vibrací pokrývá celou řadu technik snímání i zpracování dat. Dobrý přehled o časných průkopnických metodách lze nalézt v [1]. Reprezentativní techniku z této doby s použitím rotujícího ozubeného kola a stacionární sondy vzdálenosti popisuje Walker [2]. Jinou metodu, jež používá laserový torzní vibrometr, navrhl Halliwell [3]. V publikacích z nedávné doby lze pozorovat vývoj dvou trendů měření torzních vibrací. První z nich využívá akcelerometry nebo tenzometry přímo připojené k hřídeli [4], [5]. V tomto případě lze přímo měřit úhlové zrychlení nebo torzní deformace, avšak zvláštní pozornost je třeba věnovat odolnosti snímače vůči odstředivým silám a jeho napájení, včetně datové komunikace.

Druhá skupina metod používá pasivní enkodér připojený k obvodu hřídele společně se statickým senzorem umožňujícím měření okamžité úhlové rychlosti [6], [7]. Tyto techniky jsou snadněji instalovatelné, ale vyžadují náročnější následné zpracování dat se zahrnutím kompenzace chyby měření.

V tomto článku jsou výsledky analýz torzních vibrací zpracovány novou metodou založenou na přesném výpočtu okamžité úhlové rychlosti pomocí enkodéru reflexní pásky a optické sondy. Hlavní výhoda této metody spočívá v její schopnosti kompenzovat nepravidelnosti geometrie enkodéru nebo chybějící segmenty pásky. Následně je úhlová reprezentace převáděna na časovou, díky níž mohou být jednotlivé frekvenční složky lépe identifikovatelné z frekvenčního spektra.

2. Popis měřicího řetězce

Pro měření úhlové změny rotoru je používán optický enkodér, tj. páska s reflexními pruhy – tzv. zebra páska (viz obr. 1). Páska s plošnou hmotností 0,3225 kg/m2 je opatřena teflonovou laminací pro ochranu reflexní vrstvy před prachem a mastnotou.

Kolmo k povrchu je umístěn dvouvláknový optický vlnovod, který přivádí laserový paprsek pro osvit pásky a druhým vláknem snímá odraz od reflexních segmentů. Optický signál je ke zpracování přiveden do řídicí jednotky snímače, kde je převeden na analogový napěťový signál (typický průběh signálu je uveden na obrázku č. 2). V takto upraveném signálu jsou následně detekovány časy náběžných/sestupných hran jednotlivých pulzů odpovídající výskytu reflexních segmentů pásky. Tyto časy jsou vyhodnoceny jednotkou TVMS, která byla pro měření torzních vibrací vyvinuta společností Logic Elements, s. r. o., ve spolupráci s laboratoří DiagEn ZČU v Plzni (viz také obr. 4). Analogový signál je zde vzorkován s frekvencí 100 MHz a jsou zde s vysokou přesností detekovány časy náběžných hran. Při použité vzorkovací frekvenci je chyba v určení časů detekce 1 ⋅ 10−8 s, což při provozních otáčkách stroje odpovídá úhlu 3 ⋅ 10−6 rad. Časy detekce jednotlivých segmentů jsou vyhodnocovány relativně vzhledem k délce trvání aktuální otáčky rotoru a jsou během provozu turbíny archivovány a zároveň on-line zpracovávány a analyzovány z pohledu výskytu torzních vibrací.

Při instalacích torzního měření na turbogenerátorech je jako doplňující informace využíván signál z měření standardní otáčkové sondy, která je instalována nejčastěji na volném konci hřídele (před vysokotlakým dílem). Signál z tohoto snímače slouží pro vyhodnocení statického zkrutu mezi koncem hřídele a měřicí rovinou mezi generátorem a vysokotlakým dílem (místo instalace optického snímače, viz obr. 4). 

3. Vyhodnocení torze z měřených dat

První diskutovaný případ měření a analýzy torzních vibrací pochází z měření na hřídeli turbogenerátoru (TG) o výkonu 250 MW bloku jaderné elektrárny. Měřicí rovina byla umístěna na dostupném úseku hřídele mezi generátorem a nízkotlakým dílem TG. Reflexní páska po obvodu hřídele obsahovala celkem 137 odrazivých segmentů. Shodou okolností byl během období měření zachycen významný přechodový jev, který byl způsoben výpadkem blízkého výrobního bloku. Obrázek 5 ukazuje příklad naměřených časů detekce průchodů 3 segmentů v čase zahrnujícím zmíněnou událost. Mezi otáčkou 200 a 300 je zřetelně rozpoznatelné zakmitání vlivem zakolísání v síti.

Z časového signálu je na první pohled pozorovatelná pouze nízkofrekvenční složka odezvy hřídele. Pro lepší pochopení frekvenčního obsahu signálu je vhodné využít zobrazení ve formě spektrogramu uvedeném na obrázku 7. Zde je zřetelně vidět vybuzení 4 různých frekvenčních komponent v době události. Komponenty s frekvencí 17 Hz a 28 Hz jsou první dvě torzní vlastní frekvence rotoru. Další dvě blízké komponenty na frekvencích 96 Hz a 98 Hz jsou vlastní frekvence lopatek posledních olopatkovaných kol nízkotlakého dílu. Díky časofrekvenční reprezentaci poskytované spektrogramem je možné zřetelně pozorovat náhlé vybuzení vlastních frekvencí a relativně nízký útlum jejich amplitudy. Pár přerušovaných svislých čar vymezuje časový rozsah použitý na obr. 6. Maximální hodnota první přirozené torzní složky při 17 Hz v době vybuzení získané ze spektrogramu je 4,75 °/s, což odpovídá amplitudě relativního obvodového posunutí o velikosti 0,169 mm.

Dalším příkladem analýzy torzních vibrací je měřená událost na TG 250 MW bloku uhelné elektrárny. Rovina měření byla opět umístěna na dostupném úseku hřídele mezi generátorem a nízkotlakým dílem turbíny. Pokud jde o obvod hřídele, reflexní páska byla tvořena celkem ze 140 odrazivých segmentů. Během nepřetržitého období tříměsíčního sledování torzních vibrací byly zaznamenány četné přechodné události v síti.

Spektrogram jedné z torzních událostí je uveden na obr. 8. Opět je vidět vybuzení prvních dvou hřídelových torzních vlastních frekvencí, v tomto případě 20 Hz a 39 Hz, a jejich pomalý útlum. Maximální hodnota amplitudy na složce 20 Hz v době vybuzení získaná ze spektrogramu je 9,02 °/s, což odpovídá maximu torzního relativního obvodového posunu o velikosti 0,328 mm. Nicméně v porovnání s předchozím případem nelze ve spektrogramu nalézt žádné vibrace lopatek. Důvodem tohoto rozdílu je zřejmě to, že v prvním případě se jednalo o volné nízkotlaké lopatky turbíny, zatímco v druhém případě byly lopatky vázané. Vazba mezi lopatkami způsobuje, že lopatky jsou tužší, a proto se neobjevuje žádné znatelné, torzně vyvolané vybuzení těchto lopatek ve srovnatelných amplitudových úrovních. Tento výsledek vyplývá nejen z této jediné události, ale vyhovuje všem 89 torzním událostem detekovaným během 3měsíční měřicí kampaně.

Během monitorování torzních vibrací na jiném 250MW turbogenerátoru byla zachycena událost, při níž byl stroj neplánovaně odstaven z plného výkonu. Důvodem tohoto odstavení bylo překročení limitní teploty statorového vinutí generátoru. Skokové odlehčení rotoru mělo efekt silného torzního vybuzení rotoru, které mělo za následek vybuzení vlastních torzních frekvencí rotoru. V tomto případě byl k analýze využit i otáčkový snímač měřící ozubené kolo s 80 zuby na volném konci hřídele (rovina 2) v kombinaci s optickým snímačem měřícím enkodér na rotoru v přední části generátoru (rovina 1 – standardní instalace).

Je-li turbogenerátor v provozu a zatížen, tj. existuje stálý přenos energie od turbíny do generátoru, přenáší rotor silový moment. Přenos tohoto silového momentu je zprostředkován elastickými silami v materiálu rotoru vznikajícími při jeho torzní deformaci. Torzní deformace je menší na jednotlivých dílech turbogenerátoru a větší na čepech mezi nimi, neboť čepy mají obecně menší poloměr, tedy i menší torzní tuhost. Z měřených dat lze informaci o skokové změně statického zkrutu získat z průběhu časů detekce konkrétních segmentů enkodéru v měřených rovinách.

Z obrázku je vidět, že čas detekce 1. proužku v rovině 1 skokově naroste, a to o 1,1 ⋅ 10−5 s. V rovině 2 se žádná skoková změna neobjevuje, jde o referenční rovinu. Rozdíl změny časů detekce prvního proužku v rovinách 1 a 2 před událostí a po události je tedy roven 1,1 ⋅ 10−5 s. Při nominálních otáčkách 3 000 rpm to znamená úhel asi 3,5 ⋅ 10−3 rad (celková změna momentu 796 kNm). Tato hodnota vyjadřuje změnu statického zkrutu mezi rovinami 1 a 2 během události (viz obrázek 10).

4. Závěr

Torzní vibrace hřídele turbogenerátoru mohou mít významný vliv na provoz stroje, což ve výsledku může vést až k poškození hřídele a dalších rotačních součástí. V tomto příspěvku byly ukázány výsledky analýzy torzního kmitání z dat naměřených v provozu různých TG o shodném výkonu 250 MW. Byla pozorována přítomnost rotorových torzních vlastních frekvencí, které byly významně vybuzeny účinkem přechodového děje v elektrické síti. Současně byla potvrzena schopnost instalovaného měřicího řetězce detekovat a monitorovat výskyt frekvencí spojených s kmitáním dalších rotorových součástí – v tomto případě oběžných lopatek posledních kol nízkotlakých dílů turbín. Tento fakt umožňuje využít popsanou metodu k dlouhodobému monitorování torzního chvění rotorů turbín s cílem odhalit nebezpečné stavy torzních kmitů z pohledu buzení vibrací oběžných lopatek, případně buzení komponent generátoru (např. chvění čel vinutí). 

Poděkování

Tato práce vznikla díky finanční podpoře  z projektu PUNTIS-LO1506 – Podpora udržitelnosti centra NTIS – Nové technologie pro informační společnost z dotačních prostředků Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky. 

Literatura

[1]    Walker, D. N. – Adams, S. L. – Placek, R. J. Torsional vibration and fatigue of turbine-generator shafts. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1981. 100, pp. 4373-4380.

[2]   Walker, D. N. –  Bowler, C. E. J. –  Jackson, R. L. – Hodges, D. A. Results of subsynchronous resonance test at Mohave. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1975. 94, pp. 1878-1889.

[3]   Halliwell, N. A. The laser torsional vibrometer: a step forward in rotating machinery diagnostics. Journal of sound and vibration, 1996. 190, pp 399-418.

[4]   Huster, J. –  Eckert, L. – Pohle, F. Calculation and measurement of torsionals in large steam turbosets. In ABB review 6/1998, pp 1-10.

[5]   Walker, D. Torsional vibration of Turbomachinery. McGraw-Hill Professional, New York, 2003, pp 125-130.

[6]   Resor, B. R.  –  Trethewey, M. W. – Maynard, K. P. Compensation for encoder geometry and shaft speed variation in time interval torsional vibration measurement. Journal of Sound and Vibration, 2005. 286, pp 897-920.

[7]   Diamond, D. H. – Heyns, P. S. – Oberholster, A. J.Online shaft encoder geometry compensation for arbitrary shaft speed profiles using Bayesian regression. Mechanical Systems and Signal Processing, 2016. 81, pp 402-418.

Recenzent: Ing. Pavlík Vít, ČEZ a. s., Elektrárny Prunéřov, Kadaň; osoba certifikovaná na funkci Specialista vibrační diagnostiky– Kategorie III

Autor: Jindřich LIŠKA, Jan JAKL, Sven KÜNKEL; Západočeská univerzita v Plzni, NTIS


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Technical Computing Camp 2019
2019-09-05 - 2019-09-06
Místo: Hotel Fontána, Brněnská přehrada
Moderní technologie ve farmacii
2019-09-24 - 2019-09-24
Místo: Brno
Moderní technologie v potravinářství
2019-09-25 - 2019-09-25
Místo: Brno
Mezinárodní strojírenský veletrh 2019
2019-10-07 - 2019-10-11
Místo: Výstaviště Brno
MSV TOUR 2019
2019-10-07 - 2019-10-10
Místo: MSV, Brno

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Štětkova 1638/18
14000 Praha 4
tel. +420739552216

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI