Monitorování vibrací oběžných lopatek parních turbín s využitím analýzy rotorového chvění

Abstract

Tato disertační práce se detailně zabývá diagnostikou a monitorováním oběžných lopatek parních turbín. Konkrétně se zaměřuje na lopatky posledního lopatkového kola nízkotlakého dílu, které jsou obecně vzhledem ke svým rozměrům vystaveny největšímu namáhání. Monitorování rotujících lopatek není triviální úlohou a její řešení se v praxi omezuje především na metodu BTT. Ta je založena na vyhodnocení kmitání lopatek z měření časů průletů jejich špiček pod speciálním snímačem, který je zabudován v statoru turbíny. Instalace takových snímačů je podmíněna navrtáním tělesa statoru, což není vždy možné. Náklady vynaložené na pořízení a provoz takového systému jsou hlavní překážkou jeho širokého nasazení. Je tak běžnou praxí, že se lopatky posledního kola NT dílu vůbec nemonitorují. Tato disertační práce popisuje alternativní způsob monitorování lopatek, který je založen na použití snímačů relativního rotorového chvění. Tyto snímače jsou na parní turbíně instalovány standardně a jejich použití je upravenou normou ISO 20816-2, resp. ISO 10817-1. Úvodní část této práce popisuje vlastnosti navržené metody. Na příkladech ilustruje lopatkové komponenty, které jsou přítomny v rotorovém chvění. Jak bylo pozorováno, jedná se vždy o dvojici spektrálních složek na frekvencích, které odpovídají součtu a rozdílu otáčkové frekvence a vlastní frekvence kmitání lopatek. Exaktní význam obou složek však doposud nebyl v odborné literatuře popsán. Jedním z hlavních cílů této práce je vhodně popsat princip šíření kmitání lopatek do kmitání hřídele potažmo ke snímači relativního rotorového chvění. Zkoumaná hypotéza, že kmitání lopatek způsobuje ohybový moment působící na hřídel, který vyvolá radiální vibrace hřídele v místě snímače rotorového chvění, se studiem této problematiky potvrdil. Důležitým pojmem, který vznikl při psaní této práce, je nesymetrie kmitání lopatkového kola. Ta charakterizuje odchylku kmitání lopatkového kola jako celku oproti ideálnímu stavu. Právě tato odchylka - nesymetrie způsobuje buzení hřídele, pomocí které lze diagnostikovat stav oběžných lopatek. Závěry v podobě matematicky odvozených rovnic jsou v další části této disertační práce validovány pomocí řady experimentů na rotorovém standu. Za tímto účelem byl použit stand Magnum od firmy SpectraQuest. Dále bylo navrženo a vyrobeno lopatkové kolo osazené piezoměniči. Těmi bylo možné jednotlivé lopatky vhodně budit a měřit odezvu pomocí snímačů rotorového chvění umístěných na ložiskovém stojanu. Ukázalo se, že výsledky experimentů odpovídají odvozené teorii, čímž byl cíl disertační práce splněn. V následující části je analyzováno měření, které bylo realizováno na TG 660 MW. Paralelně zde byl instalován systém využívající metodu BTT a systém založený na měření rotorových vibrací. Signály z obou systémů byly vhodně zpracovány, aby bylo možné jejich vzájemné porovnání. Ukázalo se, že nesymetrie kmitání lopatek přímo určená pomocí BTT koresponduje s lopatkovými složkami v signále rotorového chvění. Diagnostiku lopatek založenou na snímačích BTT je tedy možné do jisté míry nahradit diagnostikou založenou na zpracování signálu rotorového chvění. Závěr podložený měřením na TG 660 MW byl u zrodu aplikačního výstupu této disertační práce - aplikace pro automatické monitorování lopatkových vibrací ze signálu relativního rotorového chvění. Její detailní popis je v poslední části této práce. K současnému datu je komerčně realizována instalace na TG 215 MW.