بخشی از مقاله
چکیده
شکست در توربوژنراتورهاي مولد برق همواره با تحمیل هزینههاي گزافی همراه است. پره ها یکی از اجزاي حساس توربین در نیروگاهها می باشند که به دلیل قرار داشتن در معرض نیروهاي گریز از مرکز و تنش هاي نوسانی و دماي بالا داراي طول عمر محدود بوده و باید در زمان هاي مناسب تعویض یا تعمیر گردند. دشواري توقف جهت انجام آزمون هاي غیرمخرب تشخیص ترك، محرك اصلی در ارائه روشی مؤثر براي پایش سلامت پره در حین کارکرد توربوماشین ها می باشد .
روش زمان بندي نوك پره5 به ﻋﻨﻮان یک روش جدید در مانیتورینگ ارتعاشات پره در سالهاي اخیر معرفی شده است ولی با مشکلات و محدودیت هاي متعددي روبرو است که باید مورد بررسی قرار گیرد. هدف این مقاله پیادهسازي عملی روش زمان بندي نوك پره میباشد. بدین منظور ابتدا یک روش عددي جهت محاسبهي فرکانس و دامنهي ارتعاشات پره در حین کارکرد ارائه میگردد. در ادامهي کار روشی براي حذف ارتعاشات پیچشی در شفت به عنوان یک منبع خطا بیان میشود. در پایان نتایج تست هاي انجام شده بر روي یک دیسک پره دار و اعتبارسنجی روش مزبور ارائه شده است.
مقدمه
اولین سیستم غیرتماسی بر پایه ي سنسورها در سال 1976 به وسیله هوهنبرگ1 به کار بسته شد. به هر حال این سیستم تنها ﻣﯽتوانست داﻣﻨﻪي ارتعاشات را بدون اطلاعی از فرکانس به اپراتور بدهد. در سال1970 افرادي چون زابتولسکی2 و کورس تلو3 دستگاه خود را که قادر به اندازهگیري ارتعاشات بود تحت عنوان الورا4معرفی کردند.
روش زمان بندي نوك پره در مقابل آزمونهاي غیر مخرب قرار میگیرد . از جمله روشها ي مورد استفاده در آزمونهاي غیر مخرب میتوان به آزمون بصري و نوري، آزمون رادیو گرافی، آزمون ذرات مغناطیسی، آزمون تعیین فرکانس طبیعی به کمک ضربه و... اشاره کرد که در آنها بررسی سلامت پره با توقف دستگاه همراه بوده که این امر منجر به تحمیل هزینههاي گزافی به واسطهي از مدار خارج شدن نیروگاه میشود. این در حالی است که روشهاي مورد استفاده در حین کارکرد ماشین همانند روش زمان بندي نوك پره نیازي به توقف نیروگاه براي بازرسی قطعات ندارد و به صورت آنلاین میتوان به عیوب در پره پیبرد و سپس نیروگاه را براي انجام تعمیرات از مدار خارج کرد.
از روش هاي قدیمی مانیتورینگ ارتعاشات پره میتوان به روش کرنشسنجی اشاره کرد که در آن کرنش سنج ها به پره متصل بودند و بر اساس انحراف پره مقاومت الکتریکیشان تغییر میکرد. از معایب عمده ي این کرنشسنجها قابلیت تشخیص ارتعاشات تنها یک پره، تغییر دینامیک پره به خاطر وجود کرنشسنج بر روي پره، قیمت بالا و نیاز به تجهیزات پیشرفته براي انتقال بیسیم اطلاعات می باشد. این در حال است که در روش زمانبندي نوك پره سنسور هاي نصب شده بر روي محفظهي اطراف پره قابلیت دستیابی به ارتعاشات تمام پرهها را بدون دخالت در ساختار و دینامیک پره دارند. از طرفی پیادهسازي این روش به هزینههاي بالایی احتیاج ندارد.
روش زمانبندي نوك پره، بر پاییهي سنسورهاي غیرتماسی که بر روي پوستهي اطراف پره قرار دارند استوار میباشد. کیفیت و دقت این روش به نوع سنسور مورد استفاده بستگی دارد. یکی از سنسورهاي بسیار پر کاربرد در این روش سنسورهاي نوري میباشند. از مزایاي این سنسور ها دقت بالا و قابلیت تشخیص جسم از فاصلهي دور و عملکرد مناسب سنسور در سرعتهاي بالاي عبور پره - پاسخ فرکانسی بالا - میباشد و از معایب آنها قیمت بالاي این سنسورها وحساسیت به آلودگی که استفاده از این سنسورها را براي مدت زمان طولانی با مشکل روبهرو میکند. به طور کلی این سنسورها براي توسعهي تجهیزات دورانی بسیار مناسب میباشند.
نوع دیگري از سنسور ها که در کارهاي آزمایشگاهی بسیار مورد استفاده قرار میگیرند سنسورهاي القایی میباشند. این سنسورها به اندازهي سنسورهاي نوري دقت ندارند اما داراي قیمت مناسب و عمر طولانیتري هستند از طرفی نقطه تمرکز این سنسورها بالا بوده و در انواع مختلفی با توجه به پاسخ فرکانسیشان تولید میگردند.
از معایب بزرگ آنها قابلیت تشخیص جسم تنها در فواصل بسیار نزدیک است. نوع دیگري از سنسورهاي مورد استفاده در روش زمان بندي نوك پره سنسورهاي خازنی هستند که با تغییر دي الکتریک خازن در مقابل حضور جسم عکس العمل نشان میدهند این موضوع منجر به پایین بودن محدودهي حسی سنسور میشود اما سنسورهاي خازنی مقاومت بسیار خوبی در دماي بالا از خود نشان میدهند که این امر سبب معرفی این سنسورها براي استفاده در روش زمان بندي نوك پره شده است.
نوع دیگري از سنسورهاي مورد استفاده در روش زمان بندي نوك پره سنسورهاي مایکروویو می باشند که از امواج مایکروویو براي تشخیص حضور جسم استفاده می کنند این سنسورها درمقابل سنسورهاي القایی و خازنی محدوده ي حسی بزرگتري دارند و دوام بالاي این سنسورها نیز از مزیت بارز آنها به حساب میآید اما قیمت این سنسور ها بسیار بالا بوده که استفاده از آنها را تنها به مکانهاي بسیار حساس محدود می کند
روشهاي آنالیزي متفاوتی در کارهاي گذشته مورد استفاده قرار گرفته است. آقاي پرزیسوا و همکارانش روش سه پارامتري و چهار پارامتري را براي ارتعاشات سنکرون و آسنکرون ارائه دادند.[4] بر طبق روش سه پارامتري یک سیگنال سینوسی با فرکانس معلوم از روش مینیمم مربعات خطا بر دادهها رسم میگردد و به ازاي مکان سنسورها، تعداد سنسورها و تعداد دورانها دقت روش مورد بررسی قرار میگیرد. با انجام این فرایند ثابت می گردد که دامنهي ارتعاش در این روش مستقل از موارد فوق بوده و تنها فاز تحت تاثیر این پارامترها میباشد.
در روش چهار پارامتري علاوه بر دامنه، فرکانس نیز مجهول میباشد و از طریق یک حدس اولیه براي فرکانس، از روش تکرار استفاده میگردد. سپس با بررسی پارامترهاي گفته شده این نتیجه حاصل میشود که روش چهار پارامتري تنها در یک شرایط خاصی از نظر تعداد سنسور، مکان سنسور، تعداد دوران و یک حدس اولیهي نزدیک به فرکانس اصلی به نتیجه میرسد.
در مقالهاي که توسط آقاي منگلین و همکارانشان در سال 2016 به چاپ رسید روشهاي گوناگون یافتن فرکانس در ارتعاشات سنکرون و آسنکرون بررسی گردید.[5] تعدادي از روشهاي ارتعاشات سنکرون عبارت است از روش بازگشتی که طی آن از طریق روشهاي عددي معادلهي ارتعاشات آزاد پره - بدون مستهلک کننده - حل شده و فرکانس طبیعی سیستم محاسبه میگردد
از معایب این روش صرف نظر کردن از ضریب میرایی پره میباشد. روش دیگر روش رسم دو پارامتري بوده که در آن از دو سنسور استفاده می شود و با رسم دادههاي این دو سنسور در فرکانسهاي تحریک متفاوت مقدار دامنه و فرکانس طبیعی سیستم بدست میآید از معایب این روش تغییر سرعت دورانی براي رسیدن به تحریکهاي متفاوت می باشد. روش بعدي روش تک پارامتري سرعت می باشد که با استفاده از یک سنسور و ثبت دامنههاي آن در سرعت دورانیهاي مختلف مقدار دامنه در فرکانس طبیعی سیستم بدست میآید که این روش هم همانند روش رسم دو پارامتري نیازمند تغییرات سرعت دوران براي رسیدن به دامنهي فرکانس طبیعی است.
آقاي چن و همکارانش نیز به بازسازي سیگنال با استفاده از روش شانون-نایکویست پرداختند، سپس با استفاده از روش آنالیز مولفههاي اصلی به شناسایی ترك اقدام کردند.[6] در این کار از یک چند جملهاي براي عبور از دادهها به روش مینیمم مربعات خطا به جاي تابع سینک استفاده شد. سپس از 9 عدد پارامتر ارتعاشاتی متفاوت که بسته به نیاز انتخاب می گردد براي توصیف فضاي ویژگیهاي ترك استفاده گردید. و با محاسبهي زاویهي اقلیدسی بین بردارهاي ویژهي بدست آمده از این پارامترها در حالت سالم و حالت تركدار به حضور ترك در پره پیبردند. از معایب عمدهي این روش انتخاب پارامترهاي ارتعاشاتی مناسب و استخراج آنها از سیگنال بدست آمده میباشد.
در مقالهي پیشرو ابتدا به نحوه ي کارکرد روش زمانبندي نوك پره پرداخته شده است و یک روش تئوري براي محاسبهي فرکانس و دامنه ي ارتعاشات پره براساس حلهاي عددي ارائه میکنیم. سپس روشی براي حذف اثرات ارتعاشات پیچشی بر روش زمانبندي نوك پره که سبب فاصله گرفتن داده ها از مقادیر واقعی میشود ارائه خواهد شد. در ادامه به یافتن فرکانس طبیعی با استفاده از سنسور مجاورت خواهیم پرداخت و در آخر یک کار آزمایشگاهی بر یک دیسک پرهدار به انجام رسیده است.
