Analiza stanu dynamicznego w otoczeniu komory wirnika ze szczególnym uwzględnieniem niewywagi hydraulicznej hydrozespołu.

Celem analizy stanu dynamicznego jest pozyskanie informacji o stanie technicznym dla eliminowania niesprawności maszyn. Niepoźądanymi zjawiskami zachodzącymi w obrębie komory wirnika hydrozespołów są: drgania rurociągów i wirnika, drgania łopatek i innych podzespołów, zakłócenia w przepływającej strudze, hałas emitowany przez maszynę, itp.
Poniźej omówione zostaną wyłącznie te zjawiska, z którymi spotkałem się w praktyce pomiarowej w okresie ponad 30 lat badań stanów dynamicznych maszyn. W firmie VIBROPOMIAR adoptowano i opracowano metody diagnostyki wibroakustycznej, które umoźliwiają opis kilkudziesięciu niesprawności jakie mogą pojawić się w obrębie komory podczas eksploatacji hydrozespołu. Metody te opierają się na pomiarze odpowiednich symptomów drganiowych, uźyciu ich w unikalnych regułach diagnostycznych i wykorzystaniu odpowiedniego wnioskowania diagnostycznego.

Kaźda maszyna, a głównie hydrauliczna ma dwa stany sprawności technicznej. Jeden to stan zmontowanego i nieruchomego zespołu tzw. stan statyczny, a drugi pracującego zespołu tzw. stan dynamiczny. Oba stany są ściśle powiązane. Bywa, źe bardzo dobry stan statyczny wyklucza wystąpienie dobrego stanu dynamicznego i na odwrót. W takim przypadku wymagane jest poszukiwanie przyczyn zróźnicowania tych stanów, dla uzyskania kompromisu pomiędzy oboma stanami, a moźliwe to jest wyłącznie przez analizę zjawisk dynamicznych.
Do czynników działających w obrębie komory wirnika i wpływających w sposób zasadniczy na stan dynamiczny hydrozespołu naleźą :

SIŁY WYMUSZAJĄCE POCHODZENIA HYDRAULICZNEGO

gdzie n – prędkość obrotowa wirnika, a z₀ - liczba łopatek aparatu kierowniczego turbiny.

W niektórych przypadkach te zmiany ciśnienia doprowadzają do powstawania w komorach wirnika szeregu stref uszkodzeń kawitacyjnych. Charakterystyczne jest to, źe zwykle liczba stref tych uszkodzeń jest równa liczbie łopatek aparatu kierowniczego.

Rysunek wiru Karmana za łopatką turbiny

Za opływaną łopatką tworzy się droga zawirowań z przypadkowym rozkładem wirów. Droga zawirowań powstaje dzięki istnieniu sił lepkości. Odrywanie wirów następuje kolejno raz z górnej raz z dolnej powierzchni łopatki. W trakcie tego powstaje wibracja w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu strugi. Zjawisko to moźe ulec zorganizowaniu poprzez synchronizację z innym zjawiskiem np. drganiami własnymi opływanej łopatki. Powstaje wtedy tzw. zorganizowana struktura koherentna, która posiada własności sprzyjające powstawaniu drgań samowzbudnych układu mechanicznego. Jeźeli częstość zejścia wirów jest bliska lub zgodna z krotnością częstości drgań własnych łopatek wirnika, to naleźy oczekiwać wystąpienia duźej amplitudy drgań łopatek i w materiale łopatek mogą wystąpić zjawiska zmęczeniowe (pęknięcia). Zaleźność pomiędzy częstością zejścia wirów z łopatki i prędkością jej opływu przez strugę wody moźna przedstawić :

Dla kaźdej łopatki wirnika częstości zejścia wirów moźna obliczyć na podstawie danych konstrukcyjnych. Częstości drgań własnych łopatek, ich postacie i formy moźna bardzo łatwo wyznaczyć doświadczalnie wzbudzając łopatkę do drgań rezonansowych za pomocą wzbudnika drgań, który sterowany jest np. zmienianym sygnałem sinusoidalnym. W pewnym zakresie częstotliwości drgań wzbudnika łopatka zaczyna intensywnie wibrować w niektórych miejscach powierzchni płata, a niektóre jej miejsca powierzchni pozostają nieruchome.
W miejscach w których łopatka drga intensywnie moźna oczekiwać pęknięć.

 

Obraz drgającej łopaty turbiny

Częstym przypadkiem w łopatkach wirnika turbin Kaplana jest żle dobrana częstość drgań giętnych, co moźe mieć wpływ na powstawanie pęknięć na krawędziach łopat wirnika. Częstość drgań własnych leźy w strefie wymuszeńi pojawiają się rezonanse płatów łopat. W jednej z turbin typu Kaplana pęknięcia miały charakter zmęczeniowy, a spowodowane to było faktem, źe jedna z postaci drgań własnych płata łopatkowego była taka sama jak częstotliwość siły wymuszającej jaka występowała podczas eksploatacji hydrozespołu.W omawianym przykładzie częstość drgań własnych trzeciej postaci wynosiłaf = 92 Hz, a jedna z częstotliwości wymuszenia wynosiła f = 90 Hz i dla tej częstotliwości występował rezonans. Dla wyjaśnienia podaje się, źe częstotliwość przy której występowała pierwsza postać drgań własnych wynosiła f = 29 Hz, a postać druga występowała przy częstotliwościf = 68 Hz. W hydrozespole nie stwierdzono występowania sił wymuszającycho tych niźszych częstotliwościach.
Aby redukować wymuszenia pojawiające się w zakresie częstości drgań własnych łopatek naleźy znać częstości tych drgań własnych. Wyźsze drganiaz racji małej energii nie są tak niebezpieczne jak drgania rezonansowe pierwszych trzech postaci zawartych w podanej wyźej strefie.Podobne zjawisko choć nie związane z łopatami wystąpiło w jednymz hydrozespołów typu Kaplana. Występowało systematyczne zmęczeniowe pękanie spoin konstrukcji wsporczej łoźyska nośnego opartego na stojanie generatora.

Obraz drgającego podparcia łoźyska oporowego

Po wykonaniu pomiarów częstości i postaci drgań własnych podpory łoźyska okazało się, źe pęknięcia spoin występują tylko w miejscach, w których podczas drgań rezonansowych występują strzałki czyli miejsca o największej amplitudzie drgań. Pomiary stanu dynamicznego hydrozespołu pokazały, źe to wymuszenia sił elektromagnetycznych występujące w generatorze powodowały występowanie drgań rezonansowych uszkadzanego podparcia. Wymuszenia te związane były z niewspółosiowym ustawieniem wirnika w stojanie i występowała duźa nie współosiowość osi wirowania z osią magnetyczną stojana.

PROMIENIOWO - OSIOWE WIRNIKI.

W wirnikach turbin Francisa częstym zjawiskiem jest pękanie łopat wirnika zwykle w pobliźu górnych krawędzi spływowych. Zwykle powodem są niebezpieczne drgania skrętne dolnej obręczy jako masy podwieszonej na spręźystych płaszczyznach (łopatkach). Wg pomiarów częstości te wynoszą od f = 40 Hz do f = 80 Hz. W takim przypadku naleźy odstroić układ od drgań rezonansowych na drodze zmian konstrukcyjnych np. zmian sztywności lub wprowadzenia tłumienia układu, lub teź minimalizować wymuszenia np. poprzez zmianę częstotliwości tego wymuszenia.
Znane są przypadki silnych drgań wirników turbin promieniowo-osiowych, wywołanych obecnością śladów zawirowań typu KARMANA za krawędziami wyjściowymi łopatek wirnika. Obserwacje drgań turbiny pokazały, źe w niektórych turbinach typu Francisa przy obciąźeniach odpowiadających wartości od 0,3 do 0.8 obciąźenia nominalnego hydrozespół intensywnie drga,
a takźe intensywnie pulsuje ciśnienie w pobliźu krawędzi wylotowych łopatek wirnika. Jeźeli częstość zejścia zawirowań jest zgodna z częstotliwością drgań własnych płatów łopat to powstają niebezpieczne drgania rezonansowe. Jedynie zmiana konstrukcji wirnika spowoduje odstrojenie łopatek wirnika od tych drgań rezonansowych. W przypadku braku moźliwości zmian konstrukcyjnych naleźy wprowadzić tłumienie tych drgań, jako źe ten sposób jest najskuteczniejszy przy redukcji drgań rezonansowych.
Literatura opisuje przypadki minimalizowania drgań hydrozespołów poprzez zmianę kształtu krawędzi wylotowych łopatek oraz przyspawanie rozpórek pomiędzy łopatkami turbiny.
Innym zjawiskiem w obrębie komory jest zjawisko wirowania wody w przestrzeni nad wirnikiem pod jego pokrywą. Zawarta woda poddana jest działaniu sił obwodowych i promieniowych, a częstość jej wirowania jest ok. 2,8 razy mniejsza od częstości obrotowej wirnika. W pewnych warunkach przecieków przez górne uszczelnienia wirnika częstość ta moźe wpływać na synchronizację pulsacji wody pod wirnikiem.

Łopatki promieniowo-osiowego wirnika znajdują się pod wpływem zmiennego ciśnienia. Zmiana ciśnienia wzdłuź obwodu wirnika posiada jedno maksimum i jedno minimum, co daje częstość zmian wymuszenia działającego na koło wodne równe podwójnej częstości wirowania wirnika i częstości łopatkowej. Czym większa jest nierównomierność przepływu strugi, tym większa jest amplituda drgań ciśnienia, a więc tym większa jest amplituda drgań siły wymuszającej działającej na wirnik. Literatura podaje, źe w jednej z elektrownidla otwarć aparatu kierowniczego w zakresie od 40% do 60% zmierzono, źe pulsacja ciśnienia w rurociągu wylotowym dochodziła do wartości wynoszącej 30% wartości ciśnienia spadu wody.

 

Rozkład sił w uszczelnieniu wirnika

Wartość szczelin obwodowych oraz ich rozkład wzdłuź obwodu wirnika jest bardzo istotny dla stateczności ruchu wirnika. Dla dwóch leźących naprzeciw siebie punktów wirnika ciśnienie od strony mniejszego luzu jest większe niź od strony większego luzu. Prowadzi to do powstania siły, starającej się doprowadzić wirnik do współosiowego ustawienia z uszczelnieniem. Ale występuje równieź siła tarcia zewnętrznego, która w uszczelnieniach powoduje wzbudzanie niestateczności ruchu.
W takim przypadku w obecności warkocza wodnego występuje złoźenie dwóch ruchów. Pierwszy wywołany reakcją przepływu w uszczelnieniu działający na samoosiowanie – wektor wiruje zgodnie z prędkością obrotową wału, a drugi ruch związany jest z wirowaniem szczeliny zgodnie z obrotem wiru warkocza wodnego. Oba ruchy nie będące współazowymi dodają się, a więc co pewien ściśle określony czas pojawi się szczelina będąca sumą lub róźnicą wartości obu ruchów. Moźe więc wystąpić przytarcie w uszczelnieniu labiryntowym i systematyczne zuźywanie pierścieni. Powoduje to pojawianie się skłonności wirnika turbiny do utraty stabilności ruchu w łoźyskach prowadzących.Jak podaje literatura [4] średnia prędkość przepływu wody przez szczelinę zaleźy od współczynnika przepływu, a ten przy maksymalnej ekscentryczności jaka moźe pojawić się przy wirowaniu w obecności warkocza wodnego moźe wzrosnąć nawet o 30%. O taką teź wartość moźe wzrosnąć prędkość wody w uszczelnieniu. Jeźeli prędkość wody w uszczelnieniu będzie zmieniać sięw sposób pulsacyjny, to równieź zmiany ciśnienia przed wlotem do uszczelnienia i za nim będą zmieniać się w sposób pulsacyjny. Jeźeli na domiar złego zmiany ciśnienia będą w fazie ze składową drgań podsynchronicznych (w naszych przypadkach jest nią wirująca ekscentryczność wywołana reakcją wirującego warkocza wodnego) to zjawisko to moźe wywołać powstawanie drgań samowzbudnych. Podobny przypadek został opisany w Den Hartoga.

  Naruszenie poprawnej zaleźności kombinatorowej prowadzi do naruszenia równomierności strugi bezpośrednio za wirnikiem i w konsekwencji do wzrostu drgań wirnika. Podczas zmian otwarcia aparatu kierowniczego przy stałym kącie otwarcia łopatek aparatu wirnika wibracja hydrozespołu szybko zmienia się. Drgania minimalne w większości przypadków odpowiadają najlepszemu reźimowi kombinatorowemu i dla tego kąta ustawienia łopatek aparatu wirnika występuje najlepiej dobrana zaleźność kombinatorowa. Zjawisko to moźe być z powodzeniem wykorzystane dla szybkiego, dokładnego, efektywnego i taniego ustalania zaleźności kombinatorowej na drodze pomiaru i minimalizacji wibracji podparcia hydrozespołu (najczęściej górnej kratownicy). Praktyka pokazuje, źe taka metoda optymalizacji nastaw kombinatora wymaga tylko kilku godzin prac pomiarowych. Zła zaleźność kombinatorowa moźe być powodem wielu nieprzyjaznych następstw.

Przykładem moźe być przytoczone poniźej zdarzenie.

W jednej z   EW po remoncie hydrozespołu nastąpiło zniszczenie opływki wirnika turbiny. Analiza wyników pomiarów wskazała na niewspółosiowe ustawienie wirnika turbiny w jego komorze. Naruszona została równomierność strugi bezpośrednio za wirnikiem, co powodowało znaczny wzrost wibracji wirnika. Zawirowania strugi tworzyły nowy wir spiralny, który powstawał po zejściu strugi wody z opływki. Potwierdziła to analiza trajektorii osi wału wirnika turbiny. Udary strugi przenosiły się na detale hydrozespołów, wywołując ich silną wibrację, co mogło doprowadzić np. do zerwania opływki wirnika,
w rezultacie odkręcenia lub zmęczeniowego ścięcia szpilek. Jeźeli częstotliwość tych udarów była bliska częstotliwości drgań własnych opływki to mogły wywołać drgania rezonansowe opływki.Załoźono, źe te właśnie udary spowodowały uszkodzenie opływki. Aby przekonać się o słuszności takiego załoźenia przeprowadzono analizę drgań własnych opływki i wyniki porównano z analizą stanu wibracyjnego hydrozespołu.

 

Obraz drgającej opływki pokazujący mozliwość odkręcania szpilek mocujących

W elektrowni przy pomocy wzbudnika drgań opływkę wzbudzono do drgań rezonansowych i wyznaczono częstości, przy których pojawiały się kolejne rezonanse tej opływki. Częstość drgań opływki wynosiła f = 38 Hz, f = 56 Hz i f = 113 Hz. Częstotliwości drgań wymuszających jakie zmierzono na hydrozespole były takie, źe wywoływały drgania rezonansowe opływki wszystkich trzech postaci, a największe amplitudy drgań występowały w miejscach pęknięć opływki.
Podsumowaniem prac było zalecenie, aby zminimalizować siły wymuszające do drgań czyli aby bezwzględnie zachować współosiowość komory i wirnika turbiny. Zalecenie to zostało zrealizowane, a problem urwania się opływki juź nie wystąpił.

Aby zachować współosiowość komory i wirnika turbiny naleźy koniecznie kontrolować ten stan w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych. Wielokrotnie stwierdzono, źe wirnik w rzeczywistych warunkach pracy najczęściej dopiero po synchronizacji ustawia się w komorze w miejscu jakie zajmuje podczas normalnej pracy hydrozespołu. Miejsce to wyznaczają dopiero reakcje hydrauliczne i siły elektromagnetyczne jakie występują w generatorze. Wydaje się, źe w przypadku turbiny Kaplana jedynym skutecznym sposobem kontroli centralnego połoźenia w komorze zarówno łopat jak i osi wirnika jest metoda obserwacji poprzez pomiar połoźenia jego łopat względem korpusu komory, co teź jest przedmiotem prac zespołu firmy Bruel&Kjaer Polska sp. z o.o. i VIBROPOMIARU .
Opisane wyźej zjawiska zarówno dla turbin Francisa jak i Kaplana zazwyczaj spowodowane były zjawiskami związanymi z nie współosiowością współpracujących elementów co zwykle jest następstwem nie współosiowości łączonych wałów.

 

Przykładowe błędy połączeń i podparć wałów

Wystąpienie tego zjawiska obserwuje się w następujący sposób. Na obu sąsiednich łoźyskach kontroluje się następujące symptomy:
składowa drgań względnych synchroniczna z obrotami w kierunku promieniowym,
składowa drgań względnych synchroniczna z obrotami w kierunku osiowym,
kąt fazowy wektora składowej synchronicznej  w kierunku promieniowym,
kąt fazowy wektora składowej synchronicznej w kierunku osiowym,
składowa 1X drgań bezwzględnych,
składowa 2X drgań bezwzględnych,
składowa 3X drgań bezwzględnych.

W oparciu o te symptomy układa się reguły diagnostyczne i sprawdza się ich zgodność ze stanem rzeczywistym. Potwierdzenie reguły wskazuje na wystąpienie poszukiwanego zjawiska.
Przykładowa reguła diagnostyczna dla tej nieprawidłowości wygląda następująco:
jeźeli w DW składowe osiowe 1X są w przeciwfazie,
i składowe promieniowe są zgodne w fazie,i w drganiach bezwzględnych osiowych składowa 3X prędkości drgań ma wartość zbliźoną od składowej 2X,
i w miarę zmian obciąźenia zmienia się stosunek wartości 1X/2X w ściśle podanym zakresie,
i w miarę zmian obciąźenia zmienia się stosunek wartości 1X/3X w ściśle podanym zakresie,
to występuje załamanie linii wałów na sprzęgle. 

Podobnie konstruuje się regułę do wykazania rozosiowania z równoległym przesunięciem osi łączonych wałów.
Jednak naleźy pamiętać, źe podobnie jak załamanie kątowe osi obu wałów wygląda w przypadku zastosowania tej reguły błąd polegający na załamaniu kątowym osi sąsiednich łoźysk na prawidłowo połączonym i niewywaźonym wale. Dlatego teź w takim przypadku wymagane jest dodatkowe zebranie symptomów z innych miejsc i wprowadzenie ich do innej bardziej rozbudowanej reguły diagnostycznej. 

Podkreśla się, źe w hydrozespołach dominującą rolę odgrywają pomiary drgań prowadzone w kierunku osiowym. Zaznacza się równieź, źe bardzo waźną rolę w diagnozowaniu niesprawności odgrywa zastosowanie odpowiednich testów.
W ZEW Porąbka-Źar na wszystkich hydrozespołach zainstalowano układ nadzoru diagnostycznego do wykrywania niesprawności i interpretowania przyczyn ich występowania. Układ ten oparty jest na zasadzie analizy opisanych wyźej reguł diagnostycznych. Jest to układ z moźliwością jego rozbudowywany o nowe reguły diagnostyczne, których potrzeba utworzenia wyłoni się wraz z pojawieniem się nowych problemów. Specjalista potrzebny jest jedynie do konfigurowania torów pomiarowych, tworzenia symptomów, reguł i wpisania odpowiedniej wiedzy do tego systemu. Systemem tym jest wspomniany juź system COMPASS firmy Bruel&Kjaer. Podstawą skuteczności działania takiego systemu jest jednak zbiór dostępnych symptomów, który zaleźy od właściwej dla danego problemu konfiguracji punktów pomiarowych. Konfiguracja torów pomiarowych zostanie przedstawiona przez inź.. M.Pszczółkę z ZEW Porąbka-Źar inicjatora uruchomienia tego systemu.

Brak współosiowości wirnika i komory moźe być równieź spowodowany brakiem prostopadłości płaszczyzny ślizgowej do osi wału, która w warunkach eksploatacyjnych pojawia się znacznie częściej aniźeli załamanie osi łączonych wałów. Zjawisko przekoszenia wału w tulei doprowadza do powstawania zjawiska stoźkowego ruchu wału, co powoduje w konsekwencji narastanie wartości „bicia” wału wzdłuź jego długości od tulei do wirnika turbiny.
Obserwowane symptomy to: narastanie składowej 1X wzdłuź długości wału, współfazowość promieniowych drgań względnych wału po tej samej stronie generatora, a przeciw fazowość DW po obu stronach generatora. Dla sporządzenia reguły diagnostycznej wymagane są dodatkowo symptomy z pomiaru drgań bezwzględnych promieniowych i osiowych obudowy łoźyska turbinowego i względnych drgań osiowych podparcia łoźyska nośnego.
Jeźeli ciąg wałów hydrozespołu osadzony jest w jednym bloku wspólnie ze spiralą, z komorą wirnika turbiny i stojanem generatora, to pochylenie wału nie powinno wpływać na zmianę stanu dynamicznego hydrozespołu.

 

Wir (warkocz) wodny pod wirnikiem

Kierunek ruchu obrotowego warkocza wodnego zaleźy zarówno od prędkości przepływu strugi, jak i od prędkości kątowej wiru. Częstość obrotu warkocza zaleźy od reźimu pracy turbiny i nie odpowiada częstości pracy wirnika, lecz jest od niej mniejsza. Obserwowana w moich pracach pomiarowych częstotliwość ta nie przekraczała wartości 4,5 Hz. Wg badań RHEINGANS’A [2] częstość pulsacji ciśnienia pod wirnikiem moźe być w przybliźeniu określona wg następującej zaleźności:

                                                    [Hz] ,

Weryfikacja powyźszego równania na podstawie pomiarów na obiektach rzeczywistych wskazuje, źe dla turbin z promieniowo-osiowymi wirnikami dla orientacyjnych obliczeń częstości pulsacji ciśnienia wg zaleźności RHEINGANS’A wartość współczynnika k moźna przyjąć k = 3,4 – 4, a dla turbin z nastawianymi łopatkami wirnika k = 4,2 – 4,6.

gdzie n jest prędkością obrotową wirnika [obr / min].

Wg. moich obserwacji cechą charakterystyczną tego zjawiska jest to, ze cała energia zawirowań w widmie drgań zawarta jest pomiędzy składową podsynchroniczną i składową synchroniczną z obrotami. Energia tych drgań wędruje z jednej składowej do drugiej, a amplitudy tych drgań są silnie powiązane. Tak więc o charakterze zjawiska zawirowań świadczy nie tylko wartość amplitudy, ale i szerokość pasma częstotliwości. W związku z tym naleźy być bardzo ostroźnym, aby przy analizie częstotliwościowej nie zniekształcać rzeczywistego obrazu tego zjawiska wprowadzając filtry o nie sprawdzonej szerokości pasma przepuszczania, ani stromości zbocza. Nie zachowanie takiej zasady moźe uniemoźliwić obserwację tego zjawiska
i spowodować błędną ocenę rzeczywistego stanu dynamicznego.

Obracające się pod wirnikiem warkocze wodne posiadają zróźnicowany rozkład prędkości i ciśnień co sprzyja powstawaniu pulsacji ciśnienia w przepływowej części turbiny i powoduje powstawanie zmiennej siły naporu oddziaływującej na łopatki wirnika. Powoduje to, źe na dowolnym promieniu przekroju wejściowego rury ssącej zmieniają się wartości prędkości, a w związku z tym występują róźne wartości ciśnienia i w miejscach gdzie teoretycznie powinny wystąpić podciśnienia występują nadciśnienia.

Nierównomierność przepływu i jego synchronizacja moźe wystąpić równieź poza rurociągiem wylotowym i spowodować np. uszkodzenia krat zabezpieczających na wylocie z turbin. Przykładem tego mogą być prace VIBROPOMIARU związane z działaniami mającymi na celu wyeliminowanie zjawiska niszczenia zmęczeniowego krat w EW Niedzicy. Właściwe ukierunkowanie prac pozwoliło na całkowite wyeliminowanie problemu związanego z pękaniem krat zabezpieczających. To samo dotyczy krat dolotowych stosowanych w turbinach odwracalnych.

                                                [Hz]

Poniźej w tablicy zestawiono najczęściej spotykane przyczyny drgań hydrozespołów i ogólnie przyjęte sposoby ich usuwania.