Диагностирование технического состояния паровых, авиационных и промышленных газовых турбин

НЧ - низкочастотная часть  спектра огибающей; ВЧ - высокочастотная

часть спектра вибрации; = 1, 2, 3; = 1,2,3...[4]

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Основным отличием характеристик  возбуждаемого сигнала различными турбинами от других роторных машин является наличие потока газа, обтекающего лопатки (лопасти) рабочих колес.

Вибромониторинг и изучение влияния неоднородности потока в  проточной части агрегатов с осевым потоком на вибрацию представляют весьма сложную задачу и требует высокого профессионализма при измерениях в силу ряда причин, некоторые из которых: высокая частота колебаний на лопаточных частотах (8...20 кГц), т.е. необходимость применения высокочастотных пьезодатчиков и специальных способов их установки, нередко высокие температуры корпуса турбины (компрессора), затухание высокочастотных колебаний и др.[6]

Как и в центробежных агрегатах, причина этих колебаний  — газодинамические силы от неоднородности потока вокруг рабочего колеса, т.е. неравномерность поля скоростей и давлений по шагу между лопастями колеса, возникающие при вращении рабочего колеса, и происходящие при этом циркуляции рабочей среды вокруг лопасти, а также "провалы" скорости при обтекании вращающихся лопастей. Турбулентность и неоднородность потока приводит к возникновению сложной по частотному составу вибрации, включающей в том числе компоненты на частоте вращения ротора и ее гармониках, на лопаточных частотах и их гармониках ( ), боковых частотах , вибрации некратной частоте вращения ротора (например на собственной частоте лопаток), а также к широкополосной случайной вибрации.

Хотя частотный состав спектра и значения компонентов  высокочастотной вибрации большинства агрегатов индивидуальны в силу их сильной зависимости от множества конструктивных и эксплуатационных параметров, а также особенностей распространения высокочастотных колебаний, в большинстве случаев возможно создание обобщенных "эталонных" спектров по типам и маркам агрегатов. Статистические данные показывают, что вибрация на лопаточных частотах в паровых турбинах имеет намного меньшую величину, чем в компрессорах и газовых турбинах.

В процессе проведения мониторинга  вибрации в области высоких частот во многих случаях вовремя удается обнаружить дефекты лопаток, приводящие к возрастанию неоднородности (турбулентности) потока, и, поскольку при этом возникают скорее не количественные, а качественные изменения характера вибрации в высокочастотной области спектра, решающую роль здесь играет квалификация специалиста.

Примером может служить  случай с паровой турбиной Чешского производства, применявшейся для привода центробежного компрессора. На предприятии впервые был применен высокочастотный виброанализ на этом агрегате примерно за четыре месяца (см.рис.2, спектр от 12.6.91 г.) до запланированного по программе ППО ремонта.

 

Во время проведения следующего измерения, при номинальном  режиме работы агрегата, в спектре от 14.9.91 г. было обнаружено качественное изменение характера вибрации: высокая виброактивность в области частот 10... 18 кГц, в том числе на гармониках частоты вращения ротора. Это могло говорить о нарушении динамики потока и возможных дефектах лопаток.

Администрация приняла  решение о продолжении эксплуатации агрегата и проведении ремонта через две недели при плановой остановке производства на профилактику. При этом нагрузка агрегата была ограничена.

После останова агрегата при проведении ревизии проточной  части были обнаружены четыре деформированные лопатки, имевшие также трещины. В дальнейшем было установлено, что на одном из режимов работы агрегата при определенной частоте вращения ротора турбины возникали интенсивные колебания лопаток на собственной частоте, что привело к их повреждению. Как можно видеть из анализа спектров, приведенных на рис.2, изменения вибрации были скорее не количественные, а качественные. Уровень высокочастотной вибрации не был опасным, однако в спектре вибрации появились широкополосные области, содержащие компоненты на лопаточной частоте, боковые частоты, случайная вибрация.

Как выяснилось в дальнейшем, на аналогичной установке другого предприятия произошло разрушение лопатки турбины этого типа практически без изменения характера вибрации в низкочастотной и среднечастотной области спектра.

Одна из основных проблем, возникающих при мониторинге компрессорного оборудования и турбоагрегатов, заключается в необходимости обнаружения дефектов лопаток по характеру вибрации и оценки степени развития дефекта при сравнении текущего и "эталонного" спектра: т.е. решения вопроса, связано ли увеличение вибрации на лопаточных частотах и боковых частотах и в других областях спектра с дефектами лопаток. Во многих случаях на этот вопрос можно ответить утвердительно.

Примером успешного  обнаружения дефектов лопаток при  использовании типичного спектра могут служить приведенные на рис.3 спектры вибрации однотипных компрессоров с нормальным (нижний спектр, индекс Kot — 01) и дефектным (верхний спектр и временной сигнал, индекс Nur—02) состоянием лопаток.

Нижний — типичный спектр вибрации одного из восьми охваченных вибромониторингом однотипных газоперекачивающих агрегатов, работающего при номинальной нагрузке, который можно считать "эталонным". Верхний — первый спектр и форма сигнала, полученные при расширении программы мониторинга вибрации на один из ранее неконтролируемых агрегатов. Вибрация обоих агрегатов на лопаточной частоте сопоставима, а одно из главных отличий двух спектров: вибрация на боковых частотах вокруг нее ( ) весьма существенна. Однако по уровню вибрации на боковых частотах трудно дать какое —либо заключение о степени развития и серьезности дефекта.

При ревизии, после останова "подозрительного" агрегата, были обнаружены поврежденные лопатки первой ступени.

Более достоверные сведения о степени развития подобных дефектов можно получить используя спектральный анализ огибающей высокочастотной вибрации вокруг лопаточной частоты и кепстральный анализ.

Важнейшим условием для получения достоверных  результатов при сравнении "эталонного" и рабочего спектров, особенно в высокочастотной области, следует считать равные технологические (эксплуатационные) условия работы однотипных агрегатов, особенно по нагрузке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список