Monitorování vibrací oběžných lopatek parních turbín s využitím analýzy rotorového chvění

Ing. Vojtěch VAŠÍČEK

Doctoral thesis

Steam turbine rotating blade vibration monitoring using shaft vibration analysis

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.

Abstract:

This dissertation deals in detail with diagnostics and monitoring of steam turbine rotating blades. Specifically, it focuses on the rotating blades of the last bladed wheel of the low-pressure turbine. Blades installed in this part are forced to vibrate at most due to their size. Monitoring of these blades is not a trivial task and its solution is in practice mainly ensured by BTT method. This method is based on the blade tip time measurement using special sensor, which is placed in the stator body. The installation of such sensors is conditioned by the drilling into stator body, which is not always possible. The costs of acquisition and operation of such a system is a major obstacle to its widespread deployment. It is even a common practice that the blades of the last blisk of the LPT are not monitored at all. This dissertation describes an alternative method of blade monitoring, which is based on the use of relative rotor vibration sensors. These sensors are installed on the steam turbine as standard and their use is specified by the ISO 20816-2 and ISO 10817-1 standard. The introductory part of this work describes the properties of the proposed method. It illustrates the blade components that are present in the rotor vibrations with figure examples. As observed, it is always a pair of spectral components at frequencies that correspond to the sum and difference of the rotational speed and the blade eigenfrequency. However, the exact meaning of both components has not been described in the literature yet. One of the main goals of this work is to describe the principle of propagation of blade vibrations into shaft oscillations and thus into the relative rotor vibration signal. The hypothesis that the blade vibrations cause a bending moment acting on the shaft that cause the shaft radial vibrations at the location of the shaft vibration sensor, was confirmed by the experiments described in this thesis. An important concept that is defined by the blisk vibration asymmetry was introduced as well. The asymmetry is characterized as a deviation of the blisk oscillations compared to its ideal state. This deviation - asymmetry is the source of blade vibrations in shaft oscillations and so can be used in blade state diagnostics. Conclusions in the form of mathematically derived equations are validated in the next part of this dissertation using a series of experiments on a rotor stand. A Magnum SpectraQuest stand was used for this purpose. Furthermore, a bladed disk equipped with piezoelectric transducers was designed and manufactured. Using piezoelectric transducers it was possible to excite individual blades by adequate signal and measure the response using shaft vibration sensors installed on the bearing pedestals. It turned out that the results of the experiments correspond to the derived theory, which fulfilled the goal of the dissertation. The following section analyzes the signals that were measured on TG 660 MW. In parallel, a system using the BTT method and a system based on shaft vibration measurement were installed there. The signals from both systems were suitably processed so that they could be compared with each other. It turned out that the blisk vibration asymmetry directly determined by BTT measurement corresponds to the blade components in the shaft vibration signal. Therefore, the blade diagnostics based on BTT sensors can be replaced with some limitations by diagnostics using shaft vibration signal analysis. The conclusion based on the measurement on TG 660 MW was at the beginning of designing the application output of this dissertation - the application for an automatic monitoring of the blade vibrations using relative shaft vibration signals. The detailed description of this application is in the last part of the dissertation. Up to the present time, the application is commercial installed on TG 215 MW.

Keywords

relativní rotorové vibrace, monitorování, oběžná lopatka, parní turbína

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 7. 2021

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Eduard Janeček, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Cybernetics