Материал: Диагностика осевых компрессоров

Помимо каналов виброизмерений абсолютной вибрации статорных элементов (подшипников), в систему могут быть включены каналы виброизмерений и обработки сигналов относительной вибрации вала.

В системах с периодическим контролем вибрации оборудования переносной аппаратурой технология контроля вибрации и вибродиагностики имеет существенные отличия.

Используемый прибор, как правило, представляет собой коллектор для измерения вибрации с достаточной внутренней памятью. Он содержит от одного до нескольких (обычно до 16) виброизмерительных каналов. В приборе реализуется маршрутная технология сбора данных, позволяющая в процессе измерений идентифицировать точки контроля вибрации (агрегат, номер подшипника, направление измерения).

Развитое программное обеспечение включает разнообразные интеллектуальные модули для диагностики и оценки состояния оборудования в интерактивном режиме.

1.1.2 Системы непрерывного контроля вибрации

Периодический мониторинг вибрационного состояния является эффективным средством предупреждения аварийных ситуаций. Однако при оценке состояния ответственного оборудования этого бывает недостаточно.

Для исключения аварийных выходов из строя, состояние быстроходных агрегатов должно контролироваться практически ежесекундно, а состояние тихоходных машин достаточно контролировать один раз в несколько дней.

В зависимости от типа оборудования в значительной мере отличается и набор контролируемых величин. Так, на быстроходных агрегатах на подшипниках скольжения помимо контроля абсолютной вибрации подшипниковых узлов в обязательном порядке должен производиться контроль относительной вибрации и осевого сдвига. Стационарные системы, установленные на турбоагрегатах, могут быть дополнительно укомплектованы датчиками линейных и угловых перемещений, а так же тепловых абсолютных и относительных расширений. На быстроходном оборудовании на подшипниках качения (вентиляторы, насосы и т.д.) наиболее информативным параметром является абсолютная вибрация подшипников. Кроме этого, на агрегатах могут устанавливаться дополнительные датчики вибрации, например на корпус насоса, контролироваться температура подшипников, рабочие параметры электродвигателя, насоса и т.д. При диагностике тихоходного оборудования высочайшие требования предъявляются к частотному диапазону датчиков, измеряющих абсолютную вибрацию подшипников.

Рисунок 5 - Стационарная система контроля ГПА

Основная цель любой стационарной системы контроля вибрации - своевременное предотвращение развития аварии с серьезными разрушениями контролируемого оборудования. Для этого должен выполняться своевременный и достоверный сбор и анализ всех контролируемых параметров. На быстроходном оборудовании для обеспечения необходимой надежности работы интервал между измерениями не должен превышать нескольких секунд. В этом случае использование блоков преобразования, обработки, анализа и накопления данных полностью оправдано. При контроле состояния тихоходного оборудования такой необходимости нет. Время развития дефекта на подобном оборудовании составляет недели и даже месяцы. Поэтому сбор вибрационных данных может быть выполнен при помощи переносной виброизмерительной аппаратуры. Однако такой подход не всегда оправдан. Во-первых, нередко доступ к точкам измерения на работающем оборудовании существенно затруднен, а иногда и невозможен, в том числе и по соображениям безопасности. Во-вторых, целый ряд причин (отсутствие повторяемости мест и условий установки датчика от измерения к измерению, трудоемкость сбора данных, человеческий фактор) существенно снижают достоверность диагностики.

Рисунок 6 - Стационарная система контроля НСА

При внедрении стационарных систем контроля вибрации особое внимание следует уделять корректности их методического применения. Если для стандартного использования возможно типовое исполнение системы, то для сложного, дорогого, нестандартного оборудования, а также при повышенных требованиях к его безопасности, рекомендуется проводить предварительное исследование вибрационного состояния. В процессе этого исследования уточняются необходимые для контроля параметры, модифицируются алгоритмы виброзащиты, формируются диагностические критерии и правила. По окончанию работы, корректируются настройки и конфигурация системы и вносятся все необходимые изменения. Подобный подход позволяет максимально адаптировать систему к условиям работы и особенностям контролируемого оборудования, что существенно расширяет ее возможности.

1.2 Метод акустической эмиссии (АЭ)

Совмещение метода акустической эмиссии хрупких тензочувствительных покрытий позволяет эффективно проводить диагностику повреждений конструкции. При росте трещины или любого дефекта, т.е. при увеличении их размеров, выделяется энергия в виде волн напряжения или акустической эмиссии. Даже если дефект является микроскопическим, под действием локального напряжения или деформации он генерирует волны напряжения.

Рисунок 7 - Основные принципы акустической эмиссии

При использовании метода АЭ появляется возможность исследования процессов в реальном времени, т.е. можно наблюдать и изучать динамику протекания разнообразных физических и химических процессов, детально изучать в реальном времени процессы деформации, перестройки структуры, образования и роста дефектов, разрушения конструкций, химических реакций и т.д.

Метод АЭ обладает весьма высокой чувствительностью к возникающим и растущим дефектам. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры по расчетным оценкам составляет порядка 1.10-6 мм2, что соответствует выявлению скачка трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм. В стендовых условиях испытаний метод АЭ позволяет выявить приращение трещины порядка долей миллиметра, чего не может сделать ни один из традиционных методов НК, а в производственных условиях выявляет приращение трещины на десятые доли миллиметра.

Характерной особенностью метода АЭ является его интегральность. Она заключается в том, что, используя один или несколько преобразователей АЭ, установленных неподвижно на поверхности объекта, можно проконтролировать весь объект.

Метод АЭ имеет меньше ограничений (связанных со свойствами и структурой конструкционных материалов), чем другие методы неразрушающего контроля. Например, неоднородность материала, сложность конструкции оказывают большое влияние на использование и показания радиографического и ультразвукового методов, тогда как для метода АЭ данные свойства материала не имеют существенного значения. Поэтому метод имеет более широкий диапазон применений (по материалам и конструкциям объектов).

Элементарным источником АЭ является разрыв атомной связи. Разрыв носит скачкообразный характер, он сопровождается релаксацией других атомных связей и излучением импульса упругих колебаний от места разрыва. При пластической деформации, являющейся процессом массового образования и движения дислокаций, генерируется акустический сигнал, который обнаруживается достаточно хорошо и может быть детально исследован приборами АЭ.

Как при пластической деформации, так и при образовании и росте трещин, которые являются импульсными процессами, основным элементом сигнала АЭ является единичный импульс. Форма единичного импульса АЭ и ее изменение по мере распространения в объекте приведены на рис.8 и рис. 9.

Рисунок 9 - Единичный импульс АЭ на экране осциллографа с указанием основных параметров: максимального значения (амплитуды) - um, длительности подъема (длительности переднего фронта) - tф, длительности спада - tс, длительности импульса - tи, периода основных колебаний - Т0

После прохождения акустико-электронного канала, включающего Источник АЭ → Контролируемый объект → Преобразователь АЭ → Система АЭ импульс АЭ представленный на рис.7,б (3) трансформируется в импульс представленный на рис.8.

Единичный импульс несет информацию об однократном действии источника АЭ. Процесс деградации твердого тела является, сложным процессом (многостадийным и полимасштабным), порождающим сигнал АЭ в виде многомерного стохастического, в общем случае нестационарного импульсного процесса, который должен характеризоваться многомерной функцией распределения. Для систематизации подходов необходимо ввести систему первичных параметров процесса, которые используются в производственной практике.

Рисунок 10 - Форма единичного импульса АЭ на выходе преобразователя АЭ

Примеры зависимости параметров АЭ от параметров нагружения приведены на рис.11 - рис.12.

Рисунок 13 - Зависимости среднеквадратического значения АЭ ū и механического напряжения σ от удлинения Δl при растяжении гладких образцов из стали 10ГН2МФА (а)и стали 10 (б)

На рис.18. отмечены вертикальными линиями этапы нагружения и зависимостей параметров АЭ при упругой и пластической деформации гладких образцов на растяжение. Этапы от 0 деформации до вертикальной линии 1 соответствует упругому участку деформирования. Сигналы АЭ, зарегистрированные на этом участке возникают в результате релаксации напряжений на неоднородностях структуры образцов. Активная АЭ возникает при начале пластической деформации материала. Для реального объекта глобальная пластическая деформация не допускается. Поэтому необходим индикатор, свидетельствующий, что деформации не достигли критического уровня. Таким индикатором может служить хрупкое тензопокрытие с величиной пороговой деформации меньшей предела текучести материала диагностируемой конструкции.

Последовательность импульсов образует АЭ процесс. Пример записи подобного АЭ процесса, полученной при испытании натурного объекта, приведен на рис. 14.

Рисунок 14 - Запись процесса АЭ, полученная при натурных испытаниях

В параметрах этого процесса содержится информация о состоянии деформирования и разрушения диагностируемого объекта. Основными наиболее информативными параметрами являются:

Зависимость суммы импульсов АЭ от времени - NΣ(t).

Зависимость активности АЭ от времени - Ń Σ(t).

Зависимость длительности импульсов от времени, мкс/с - tи(t).

Зависимость числа выбросов от времени - N(t).

Зависимость амплитуды импульсов АЭ от времени, дБ/с.

Зависимость эффективного значения импульсов АЭ от деформации.

Зависимость среднеквадратического значения импульсов АЭ от деформации.

Зависимость энергии АЭ от времени, дБ/время - Е(t).

Зависимость времени нарастания от времени, мкс/время - tф(t).

Число АЭ - импульсов /Амплитуда, дБ. - N(А).

Число АЭ- импульсов/Выбросы/длительность, кГц - NΣ(N).

Число АЭ- импульсов/Время нарастания, мкс - N(tф).

Число выбросов/Длительность импульсов, мкс - N(tи).

Длительность импульсов, мкс./Амплитуда, дБ - tи (А).

2. Типы компрессоров и их характеристики

2.1 Осевые компрессоры

Лопастной компрессор - это разновидность компрессоров, предназначенная для повышения давления рабочего тела за счёт взаимодействия последнего с подвижными и неподвижными лопаточными решётками компрессора. Принцип действия лопаточных компрессоров - увеличение полного давления рабочего тела за счёт преобразования механической работы компрессора в кинетическую энергию рабочего тела с последующим преобразованием её во внутреннюю энергию. Лопаточные компрессоры бывают 2 видов:

Центробежные;

Осевые.

Рассмотрим подробно конструкцию, принцип действия, основные неполадки и их диагностирование на примере осевого компрессора. Осевой компрессор - типичная лопаточная машина. Этот компрессор состоит из ряда так называемых ступеней, количество которых может быть различным в зависимости от величины требуемой степени повышения давления и назначения: от одной-двух до 14 и больше.

В промышленности осевой компрессор - это сложная многоступенчатая лопастная машина, состоящая из ротора с закрепленными на нем рядами профилированных лопаток, каждый ряд которых представляет собой рабочее колесо одной ступени, и статора с закрепленными на нем рядами таких же лопаток, образующих направляющие аппараты ступеней.

Широкое промышленное применение осевые компрессоры получили в авиастроении, а также в промышленных процессах, где требуются огромные производительности (от 2000 м/мин) и небольшие давления (1-10 атм. изб.). Также осевые компрессоры могут использоваться в составе комбинированного компрессора в качестве начальных ступеней.

Среди производителей осевых компрессоров из сугубо компрессорных компаний можно выделить Siemens, Elliott.

2.1.1 Основные элементы

Основными принципиальными элементами устройства осевого компрессора являются расположенные попарно венцы вращающихся и неподвижных лопаток. Каждый венец вращающихся лопаток образует рабочее колесо (РК), а каждый венец неподвижных лопаток - спрямляющий аппарат (СА).

Каждая пара РК и СА представляет собой ступень компрессора, т.е. секцию, в которой полностью реализуется его принцип действия с соответствующим повышением давления.

Сочетание ступеней в осевом компрессоре осуществляется конструктивно сравнительно просто, поскольку в нем каждая частица воздуха движется по траекториям, почти равноотстоящим от оси компрессора (отсюда компрессоры и получили название осевых). При допустимом уровне гидравлических потерь возможное повышение давления в одной ступени относительно невелико, поэтому компрессоры всегда выполняются многоступенчатыми.

Благодаря сжатию воздуха плотность его в каждой ступени возрастает, и при неизменном массовом расходе, объемный расход воздуха падает. Поскольку осевая скорость движения воздуха в компрессоре изменяется несильно, то это приводит к необходимости уменьшения проходных сечений, поэтому высоты лопаток по ходу движения воздуха уменьшаются.

Осевой компрессор состоит из нескольких рабочих колес, жестко укрепленных на валу и помещенных в канал, по которому движется воздух. Каждое рабочее колесо представляет собой диск с лопатками на ободе. При быстром вращении рабочего колеса лопатки сжимают проходящий по каналу воздух и увеличивают его скорость.