Методика диагностирования выхлопных трактов газоперекачивающих агрегатов на динамические нагрузки

При испытаниях ряда газоперекачивающих агрегатов (ГПА) имели место значительные деформации отдельных элементов конструкции выходного тракта, вплоть до нарушения их целостности. Одной из возможных причин такого рода деформаций являются нерасчетные нагрузки на элементы конструкции, которые определяются сложным пространственным течением газа с наличием отрывных зон в потоке и колебаниями давления на участке перехода от улитки к выхлопному тракту.

Основная задача диагностирования заключается в анализе информации, полученной от датчиков, измеряющих виброакустические характеристики конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА, с анализом и сопоставлением результатов прямого измерения амплитуды колебаний давления в газовом тракте для последующего этапа доработки методики пересчета амплитуды виброколебаний стенки конструкции в амплитуду колебаний давления газа в выхлопном тракте. Основными источниками возбуждения колебаний в газовом тракте являются процессы нестационарного турбулентного течения газа с вихреобразованием и колебания давления в потоке, прошедшего через турбину газотурбинного двигателя (ГТУ) и улитку. Рассмотрим физические процессы вихреобразования на выходе их турбины ГТУ в улитку выхлопного диффузора.

Вихреобразования и турбулентные колебания давления в объемных газотурбинных установках. Вихреобразования обусловлены взаимодействием рабочих элементов турбины (рабочие и направляющие лопатки)  между собой и корпусом. В основном вихреобразования носят случайный характер. Спектр вибрации, вызываемой вихреобразованиями, преимущественно высокочастотный, сплошной, обычно маскируется другими более интенсивными источниками. Микроколебания давления в этих агрегатах так  же, как и в лопастных, могут быть обусловлены турбулентностью потока газа. В турбулентном пограничном слое возникают напряжения сдвига, которые вызывают деформацию элементарных объемов газа. Каждый такой элемент представляет излучатель звуковой вибрации, причем излучение происходит за счет деформации элемента без изменения объема. На твердой границе действуют хаотические колебания давления. Турбулентные пульсации давления в дозвуковом потоке обычно не вызывают интенсивной вибрации. Спектр  вибрации от турбулентных колебаний давления в потоке газа занимает широкую область частот и в значительной степени неравномерен по интенсивности.

Аэродинамические и гидравлические воздействия. От взаимодействия кромочного следа сопел и рабочих лопаток. Частота взаимодействия равна произведению количества лопаток на частоту вращения ротора. Она присутствует при работе насосов, вентиляторов и компрессоров, обычно не является причиной  возникновения дефектов. Однако большая амплитуда этих колебаний и их гармоник может быть вызвана несовпадением осей направляющего аппарата насоса или компрессора и рабочего колеса. Такие  же колебания вызываются при совпадении частоты собственных колебаний и колебаний от аэро- и гидродинамических сил, что приводит к возникновению высокочастотной вибрации. Высокочастотные колебания могут вызываться колебаниями впускного и нагнетательного патрубков, вызванных дефектами крепления, или при эксцентриситете ротора относительно статора.

Помпаж (франц. pompage), вредное явление, которое наблюдается при работе лопастных компрессоров, вентиляторов и насосов и заключается в возникновении колебаний подачи и давления газа в трубопроводной системе.

Центробежные компрессоры имеют ограниченный диапазон регулирования, который начинается от 50 ~ 70% максимального расхода, в зависимости от конфигурации компрессора и типа воздействия на поток. На нижнем участке диапазона регулирования может, по причине сильного дросселирования или слишком высокого противодавления, произойти обрыв потока газа. Обрыв потока газа ведёт к ударному сбросу нагрузки, последующему формированию потока и обрыву потока газа. Этот процесс полностью циклически повторяется с частотой от около 0,3 до 7 Гц и называется помпажем. При этом колебание подачи газа напоминает циклическую подачу рабочего тела поршневым компрессором. При сильном помпаже нередко выходят из строя лабиринтные уплотнения и опорные подшипники, при этом колебания ротора продолжаются вследствие нарушения масляного клина в подшипниках. Основные направления вибрации – осевое и радиальное. При потере устойчивости в системе регулирования расхода наиболее значительна вибрация в осевом направлении. Различают три типа помпажа:

1) вращающийся срыв – результат потери устойчивости осесимметричного   течения на одной из ступеней или во всей проточной части компрессора, т.е. происходит срыв потока с лопаток компрессора, в результате чего возникают пульсации во всех газовых трактах;

2) скачкообразное уменьшение расхода  газа и напора компрессора вследствие потери статической устойчивости потока в компрессоре. Если быть еще более точным, то помпаж возникает за счет нарушения ламинарности  (незавихренности) газового потока на входе и в самом компрессоре. При этом поток газа как бы «запирается» на входе компрессора и его поступление уменьшается;

3) собственно помпаж в его классической форме (обрыв потока газа).

В компрессорах это явление сопровождается характерным звуковым эффектом. Вдали от границы помпажа при большой подаче компрессор издает резкий свистящий звук. Частота звуковых колебаний в одноступенчатом компрессоре совпадает с частотой прохождения рабочих лопастей около неподвижных направляющих лопастей. По мере уменьшения подачи (при неизменном числе оборотов) вплоть до границы помпажа звук почти не изменяется. В некоторых случаях он становится глуше, что вызывается ростом колебаний в потоке вследствие отрывного обтекания профилей. Подача, при которой внезапно появляются резкие периодические хлопки, сопровождающиеся обычно выбросом газа из компрессора во всасывающий патрубок, определяет границу помпажа. При дальнейшем уменьшении подачи (например, дросселированием) сначала увеличивается частота хлопка, а затем появляются сплошной гул и вибрации. Резкое колебание подачи вызывает существенное увеличение динамической нагрузки на лопасти и диски машины, что при больших окружных скоростях приводит к поломкам, являющимся причиной тяжелой аварии. Поэтому работа компрессора в области помпажа недопустима даже кратковременно.

Помпаж, как правило, сопровождается сильной вибрацией и акустическими ударами. При этом динамические нагрузки на лопатки и подшипники многократно возрастают, что ведёт к их разрушению, если компрессор не будет немедленно выведен из процесса помпажа, а в спектре виброакустический колебаний появляются составляющие, которые кратны произведению частоты вращения на количество лопаток рабочего колеса.

Защита от помпажа – остановка ГТУ.  При распознании помпажа или уменьшают нагрузку на турбине для предотвращения повреждений компрессора (уменьшают расход перекачиваемого газа через компрессор)  или увеличивают расход через турбину ГПА.

Нестационарное газодинамическое течение продуктов выхлопа ГТУ является мощным источником возбуждения колебаний конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА, которое может быть диагностировано с помощью вибрационной диагностики

Методика определения величины амплитуды колебаний давления газа в выхлопном тракте по замеряемым виброакустическим параметрам его стенки включает в себя определение передаточной функции стенки и замера параметров вибрации на ее наружной поверхности. Для построения передаточной функции стенки тракта выхлопа необходимо провести исследование  с установкой вибропреобразователей с наружной и внутренней стороны стенки газохода. Для повышения точности и достоверности алгоритма построения передаточной функции стенки газохода, а следовательно, повышения точности необходимо проводить одновременно не менее чем по 4 каналам. В качестве примера на рис. 5.38 приведена схема расстановки датчиков для проведения замеров. Для записи результатов замера необходимо использовать многоканальные измерительные комплексы  для измерения и анализа вибраций с количеством полос не менее 10000. Это позволит провести исследование в частотном диапазоне от 0 до 5000Гц.

1270

ø670

ø1400

ø1730

А

А

Направление потока

 

 

                                                              ВК310А(№ 4 – 8)

 

 

2145

1835

1300

910

240

240

1285

2185

2420

А-А Датчики динамического давления

1

2

3

7

8

6

5

4

 

Вибропреобразователь ВК310А (№ 1 – 3)

                                                                                                                 

                                                                                                                   

 

Рис. 5.38.  Схема расположения заборников давления и вибропреобразователей

 

В качестве примера на рис. 5.39 приведена спектрограмма с датчика давления и вибропреобразователя, установленных в точке № 5 на режиме работы 5000 об/мин. Заборник давления, установленный в нутрии газохода системы выхлопа ГТУ (сечение А – А, см. рис. 5.39, а датчик вибрации ВК 310А – на наружной поверхности стенки газохода напротив заборника давления).  Подобный характер совпадения частотных характеристик, полученных при регистрации сигнала от датчиков давления  №№ 1 – 8 и вибропреобразователей ВК310А № 1–8, отмечается для всех обработанных сигналов записи.

а) Спектр с датчика динамического давления

 

б) Спектр с датчика вибрации

Рис.5.39.  Частотный диапазон с максимальными значениями амплитуды

 

Важным выводом является тот факт, что процесс движения продуктов выхлопа является нестационарным, имеющим низкочастотную область колебательных процессов с высокой амплитудой колебания давления, как по потоку, так и сечениям выхлопного тракта. Следовательно, в процессе эксплуатации на конструкцию элементов выхлопного тракта действует динамическая нагрузка с частотой воздействия от 10 до 15 Гц и амплитудой давлений до 110 КПа. Частота вихреобразования зависит от скорости выхода газа из улитки, т.е. от режимов работы агрегата. Частота вихреобразования на режимах работы 3770 об/мин с 11,2 Гц растет до 12,5 Гц при числах оборотов турбины 5000 об/мин.

Проведенные работы дают основание для построения алгоритма технической диагностики конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА, используя подход, описанный в разделе 5.4.