Važnost mjerenja torzijskih vibracija osovine

Vibracije su jedan od najvažnijih čimbenika koji utječu na rad i vijek trajanja električnih rotirajućih strojeva. Stalni nadzor i periodični vibracijski testovi omogućuju uvid u dinamičko stanje stroja i mogu ukazivati na probleme prilikom eksploatacije stroja. Kod hidrogeneratora, na primjer, uglavnom se prate i analiziraju radijalne vibracije, a te su vibracije također u skladu sa standardima te ugovornim zahtjevima koji definiraju kriterije pouzdanosti generatora u radu. Pored radijalnih ili fleksijskih vibracija, problemi i kvarovi rotirajućih strojeva mogu biti uzrokovani i pojavom torzijskih vibracija, što može dovesti do velikih oštećenja strojeva, a time i do financijskih gubitaka.

Nedavno smo razvili Sustav za mjerenje momenta (torzije) i snage na osovini (STP), kojim se omogućuje i mjerenje i analiza torzijskih vibracija. Sustav proširuje sliku dinamičkog ponašanja rotirajućih strojeva, doprinosi praćenju stanja stroja i ranom otkrivanju mogućih kvarova i problema.

Torzijske vibracije

Pojava torzijskih vibracija može se, u određenoj mjeri, očekivati kod svih rotirajućih strojeva tijekom njihova rada. Nedovoljna pažnja posvećena je torzijskim vibracijama, posebice u vezi s projektiranjem i stalnim praćenjem rotora hidrogeneratora. Istraživanja pokazuje veliku štetu koja se javlja kod rotirajućih strojeva zbog zamora osovine torzijskim opterećenjima.

Slika 1. Pojednostavljeni torzijski dinamički model rotora

Najvažniji dijelovi na modelu su rotor generatora (G) i rotor turbine (T). Uvijanje (torzija) osovine događa se točno između ove dvije mase. Pri nominalnom režimu rada možemo reći da je torzijski zakretni moment koji utječe na osovinu/osovine uravnotežen magnetskim momentom u zračnom rasporu između statora i rotora, ako zanemarimo gubitke trenja u ležajevima. Stoga je pogonski moment uravnotežen s momentom opterećenja. Dok su ta dva momenta jednaka u veličini, ali suprotnog predznaka, brzina vrtnje je konstantna i osovina će biti uvinuta za konstantni otklon. Ovaj nazivni moment predstavlja statičko opterećenje i ne uzrokuje vibracije osovina. Vibracije mogu biti potaknute nekom vrstom poremećaja, bilo na rotoru turbine ili rotoru generatora. Svaka promjena pogonskog momenta ili momenta opterećenja, periodično ili impulsno, uzrokovat će promjenu kuta osovine, a time i pojavu prisilnih torzijskih vibracija.

Prijelazne pojave koje ometaju stabilnost rotorskog sustava najčešće su posljedica pogrešaka u sinkronizaciji, oscilaciji snage ili iznenadnim električnim smetnjama u mreži, kao i mogućeg kratkog spoja generatora. Ti fenomeni uzrokuju porast torzijskih opterećenja i torzijskih vibracija.

Porast torzijskih vibracija može biti uzrokovan i naglim promjenama u mrežnom opterećenju. Trajanje takvih iznenadnih promjena u mreži može biti od nekoliko sekundi do nekoliko minuta, što također utječe na konačne učinke tih promjena na stabilnost sustava. Često ovakvi prijelazni događaji ne pobuđuju u većoj mjeri torzijske rezonancije osovine, ali ponekad se karakteristike prijelaznih valnih oblika podudaraju s torzijskim rezonancijama, što rezultira brojnim ciklusima jakih opterećenja. Akumulacija više ovakvih ciklusa može dovesti do problema i kvarova zbog vibracijskog zamora , ali i do stvaranja ili širenja bilo kakvih pukotina na osovini. 

Razvoj i dizajn sustava

Torzijske vibracije obično imaju veću važnost u dizajnu i dimenzioniranju turbogeneratora i brodskih motora, ali su također važan čimbenik u izradi hidrogeneratora. Ove vibracije u sustavu rotora rijetko se analiziraju, uglavnom tijekom puštanja u pogon, obično tenzometarskim mjerenjem kuta zakreta osovine.

STP sustav temelji se na više kanalnoj jedinici za obradu podataka s kontrolerom koji radi u stvarnom vremenu. Jedinica za obradu kombinira se s ulaznim i izlaznim analognim i digitalnim modulima, a temelji se na brzom i pouzdanom industrijskom PLC-u, namijenjenom za industrijske uvjete i okruženja sa svim potrebnim certifikatima i referencama za upotrebu kod električnih strojeva. Ima široki mjerni raspon i vrlo nisku grešku mjerenja.

Slika 2. Sustav za mjerenje torzijske osovine

Sa svojom konfiguracijom STP sustav omogućuje kontinuirano praćenje torzije osovine tijekom svih stanja stroja. Istodobno uspoređuje i analizira dobivene rezultate s ostalim parametrima stroja kao što su brzina stroja, snaga, napon i struja u svim fazama te uzbudni napon. Pomoću detaljne analize, usporedbi i praćenjem trendova može se utvrditi koji su uvjeti manje povoljni za stroj, koliko se često pojavljuju te kako utječu na druge parametre stroja.

Dobiveni podaci mogu se usporediti s vibracijskim stanjima stroja dobiveni mjerenjem radijalnih vibracija. To se dodatno može upotrijebiti za zaključke o utjecaju nepovoljnih radnih uvjeta i povećanih torzijskih vibracija na povećanje ostalih vibracijskih parametara, što može dovesti do oštećenja materijala kod složenih komponenti mehaničkog sustava.

Zaključak

Zbog relativno dugog razdoblja između pojave izraženih torzijskih vibracija do pojave većih oštećenja, postoji mogućnost pravovremenog otkrivanja i sprječavanja grešaka korištenjem sustava za kontinuirano mjerenje i analizu torzijskih vibracija osovine.

Iako se utjecaj oscilacija snage i ostalih poremećaja u mreži električne energije na životni vijeka generatora često zanemaruje, instalacija stalnog praćenja torzijskih vibracija povećava pouzdanost rotirajućih strojeva. Mjerenjem i analizom torzijskih vibracija sa STP sustavom i u kombinaciji s drugim važnim mjerenjima na stroju, može se odrediti iznos uzbudnog dinamičkog momenta uzbude na turbini, što je relevantno za životni vijek osovine rotora generatora.

Budući da većina turbogeneratora i hidrogeneratora ima ugrađene sustave za praćenje stanja radijalnih vibracija, instaliranjem STP sustava može se dodatno nadopuniti slika dinamičkog ponašanja stroja. U pojedinim slučajevima, samo mjerenjem i analizom podataka može se razlikovati utjecaj eventualne superpozicije fleksijskih i torzijskih vibracija, što dodatno potvrđuje važnost mjerenja vibracija rotora.