Opis pomiarów i analizy drgań kanału tłocznego wentylatora powietrza wtórnego w aspekcie opracowania sposobu minimalizacji tych drgań.
II etap badań
Pomiary częstości drgań własnych wewnętrznych elementów rozpierających kanał i zewnętrznych podpór kanału
Pomiary te wykonano celem wyznaczenia częstości drgań własnych elementów konstrukcyjnych kanału tłocznego wentylatora powietrza wtórnego, obudowy wentylatora i elementów konstrukcji wsporczej kanału. Pomiary są kontynuacją poszukiwania przyczyny występowania nadmiernych drgań tego układu celem opracowania sposobu minimalizacji tych drgań. Pomiary mają za zadanie wskazać czy obserwowane podczas eksploatacji kotła drgania kanału nie są związane z drganiami rezonansowymi wybranych elementów konstrukcji kanału. Może się bowiem okazać, że obserwowane podczas eksploatacji bloku drgania kanału są następstwem występowania drgań rezonansowych jego elementów.
1. Zakres II etapu badań – uzasadnienie przyjętego zakresu .
Zakres badań obejmował pomiary celem wyznaczenia częstotliwości i postaci drgań własnych następujących elementów układu kanału tłocznego wentylatora i kanału powietrza wtórnego:
1. częstość drgań własnych wszystkich „półek i pionowych przegród” kraty wlotowej do kanału tłocznego wykonanej z blachy o grubości 4 mm,
2. częstości drgań własnych rozpór usztywniających zlokalizowanych w kanale indywidualnym dla każdego wentylatora i znajdujących się przed połączeniem tych kanałów w część wspólną – elementy 1, 2, 3 i 4,
3. częstości pierwszej lub dwóch pierwszych postaci drgań własnych głównych elementów rozpierających kanał tłoczny powietrza wtórnego,
4. częstości drgań podłogi kanału podczas wzbudzenia zastrzałów do drgań rezonansowych pierwszej i drugiej postaci,
5. częstości drgań własnych korpusu obudowy wentylatora od strony napędu,
6. częstości drgań własnych elementów wszystkich 4 układów wsporczych kanału tłocznego powietrza wtórnego.
Pomiary te są kontynuacją prac rozpoczętych w grudniu 2009r. mających na celu poszukiwania przyczyny występowania nadmiernych drgań kanału tłocznego powietrza wtórnego. Przeprowadzone w obecnym etapie badania mają za zadanie sprawdzenie w jakim zakresie częstotliwości leżą częstotliwości drgań własnych elementów konstrukcji kanału wentylatora. Jeżeli częstotliwości drgań własnych mierzonych elementów kanału są zgodne
z częstotliwościami drgań dominujących składowych jakie obserwuje się w drganiach kanału wentylatora podczas jego eksploatacji, to można przypuszczać, że elementy składowe konstrukcji kanału wzbudzane są do drgań rezonansowych, a cała konstrukcja poddana jest oddziaływaniu tych drgań. Jeżeli na domiar złego okaże się, że również elementy konstrukcji układu wsporczego mają podobne częstości drgań własnych lub zgodne z częstotliwością dominujących składowych drgań jakie obserwowano podczas poprzednich badań w drganiach układu wsporczego podczas normalnych warunków eksploatacyjnych, to można przypuszczać, że obserwowane drgania kanału są drganiami rezonansowymi, a cały układ pracuje w strefie drgań rezonansowych. W takim przypadku, wystarczy tylko, aby amplitudy drgań przekroczyły wartości dopuszczalne z uwagi na warunek zmęczenia, a uszkodzenie kanału wentylatora będzie już tylko kwestią czasu.
W obecnej sesji pomiarowej starano się sprawdzić prawdziwość następującej hipotezy.
Podczas normalnej eksploatacji przepływające medium jakim jest powietrze w ściśle określonych warunkach pracy wentylatora powoduje pojawienie się zmiennej siły, która
z kolei pobudza to medium do drgań. Wzbudzone do drgań medium przekazuje swoją energię do układu mechanicznego, który wprowadzony zostaje do drgań. Te samowzbudne drgania, występują tak długo jak długo występuje zmienna siła podtrzymująca ten ruch drgający
i która jest zarówno wywołana jak i sterowana przez ten ruch. Kiedy wzbudzenie powodujące występowanie tej zmiennej siły ustaje, to zanika również siła wywołująca drgania rezonansowe elementów kanału tłocznego.
Na drodze pomiarów stwierdzono, że drgania układu mechanicznego są zbliżone lub zgodne
z częstością drgań własnych elementów składowych kanału tłocznego. Wzbudzają one elementy do drgań rezonansowych, a te pracując jak generatory drgań wzbudzają cały kanał powietrza wtórnego do drgań wraz z układem wsporczym. Jeżeli wybrane elementy układu wsporczego mają częstości drgań własnych zbliżone do częstości drgań generowanych przez drgające, znajdujące się w rezonansie, elementy składowe konstrukcji kanału, to cały układ znajduje się w strefie drgań rezonansowych.
Przypuszczenie, że powodem występowania drgań kanału tłocznego są drgania samowzbudne jest zjawisko występowania drgań lub całkowitego ich zaniku w zależności od kąta otwarcia aparatu kierownicy wentylatora.
W wynikach z pierwszego etapu badań podano skrótowo informacje, że w trakcie zmian obciążenia bloku występują dwa zupełnie różne rodzaje wymuszenia do drgań konstrukcji kanału i dla każdego wymuszenia występują one w zupełnie innych miejscach kanału.
Pierwszy rodzaj wymuszenia do drgań o częstotliwości f = 33.75 Hz występuje tylko przy obciążeniu bloku od
N = 220 MW do N = 380 MW. Po przekroczeniu tego obciążenia pierwsze wymuszenie znika i pojawia się drugie, zupełnie inne wymuszenie do drgań
o częstotliwości f = 14 – 15 Hz. Drugi rodzaj wymuszenia nie występuje przy obciążeniu bloku poniżej N = 380 MW.
Pierwszy rodzaj wymuszenia do drgań o częstotliwości f = 33.75 Hz, zlokalizowany jest za wirnikiem wentylatora we wlocie do przestrzeni kanału tłocznego. Po wzroście obciążenia bloku powyżej N = 380 MW wymuszenie to znika i potem już nie występuje.
Natomiast dopiero po zniknięciu pierwszego wymuszenia pojawia się drugi rodzaj wymuszenia w zupełnie innej części instalacji powietrza wtórnego. Obecność tego drugiego wymuszenia powstającego w zupełnie innej części instalacji, zaobserwowana została zupełnie przypadkowo i dlatego w pierwszym etapie badań, ze względu na brak większej ilości danych nie mogła być przedmiotem szerszej analizy.
Drugi rodzaj wymuszenia do drgań pojawia się dopiero po zniknięciu pierwszego rodzaju wymuszenia.
Drugi rodzaj wymuszenia do drgań o częstotliwości f = 14 Hz – 15 Hz zlokalizowany jest
w zupełnie innej części instalacji powietrza wtórnego. Występuje głównie w przestrzeni przed łopatami kierowniczymi na wlocie do obu wentylatorów, a więc w przestrzeni w której
w I etapie badań nie wykonywano pomiarów drgań..
Zaznacza się, że w drganiach konstrukcji kanału tłocznego w zakresie obciążenia od
N = 220 MW do N = 380 MW obserwuje się tylko wpływ pierwszego rodzaju wymuszenia.
Po wzroście obciążenia bloku powyżej N = 380 MW w drganiach konstrukcji kanału tłocznego w zakresie obciążenia od N = 380 MW do N = 460 MW obserwuje się wpływ tylko drugiego rodzaju wymuszenia.
Porównując intensywność drgań konstrukcji kanału tłocznego w całym zakresie obciążenia bloku zauważa się, że intensywność drgań kanału tłocznego wywołanych przez wymuszenia drugiego rodzaju ( o częstotliwości f = 14 Hz – 15 Hz) jest znacznie większa niż intensywność drgań konstrukcji kanału tłocznego wywołanych przez wymuszenia pierwszego rodzaju (o częstotliwości f = 33,75 Hz).
W wyniku przeprowadzonych badań zlokalizowano jedynie źródła drgań i miejsca ich występowania (są dwa rodzaje źródeł drgań – jeden występuje przed wirnikiem wentylatorów, a drugi za wirnikiem).
Nie wykryto natomiast miejsc i przyczyn powstawania tych źródeł. W oparciu
o zaobserwowane zjawisko szybkiego zanikania i narastania drgań wraz ze zmianą wartości otwarcia łopat aparatu kierowniczego wydaje się, że celowe jest poszukiwanie przyczyny powodującej powstawania drgań samowzbudnych w obrębie wentylatora.
2. Rozmieszczenie punktów pomiarowych.
Podczas pomiarów punkty pomiarowe rozmieszczane były na wzbudzanych do drgań elementach.
Na kolejnych poniżej załączonych rysunkach od rys. 1 do rys. 9 pokazano wszystkie elementy kostrukcji, dla których wyznaczano częstości drgań własnych. Nie pokazano jedynie wszystkich „półek i pionowych przegród” kraty wlotowej do kanału tłocznego wykonanej
z blachy o grubości 4 mm, ponieważ elemrnty te nie były przedmiotem dalszej analizy.
Poszczególne elementy oznaczono kolejnymi numerami od 1 do 27 umieszczonymi na zdjęciach w żółtych „kółkach”. Na każdym z mierzonych elementów (belka) czujnik drgań instalowano w połowie jego długości. Wjątkiem był punkt pomiarowy nr 13 i nr 14.
Punkt pomiarowy nr 13 zlokalizowany został na podłodze kanału w jego wnętrzu, w osi kanału i w odległości ok. 3 000 mm od końca kanału (za koniec kanału przyjęto płaszczyznę zainstalowania filtrów mechanicznych). Punkt pomiarowy nr 14 zlokalizowany został na obudowie wentylatora w pobliżu jego uszczelnienia na wale od strony silnika.
Rys.1. Obraz wewnętrznych elementów kanału wlotowego z wentylatora nr 1. Belki rozpierające nr 1, 2, 3, 4, 5 i 6, dla których przeprowadzono pomiary częstości drgań własnych.
Rys.2. Obraz wewnętrznych elementów kanału wlotowego z wentylatora nr 1. Belki rozpierające nr 5, 6 i 7, dla których przeprowadzono pomiary częstości drgań własnych.
Rys.3. Obraz wewnętrznych elementów kanału tłocznego powietrza wtórnego. Belki rozpierające nr 8 i 11, dla których przeprowadzono pomiary częstości drgań własnych. W punkcie 13 mierzono częstość drgań własnych podłogi kanału, podczas wzbudzania jej do drgań poprzez wzbudzenie głownej belki rozporowej. Obraz tej operacji zamieszczono na powyższym zdjęciu.
Rys.4. Obraz wewnętrznych elementów kanału tłocznego powietrza wtórnego. Belki rozpierające nr 8, 9, 10, 11 i 12, dla których przeprowadzono pomiary częstości drgań własnych. W punkcie 13 mierzono częstość drgań własnych podłogi kanału, podczas wzbudzania jej do drgań poprzez wzbudzenie głownej belki rozporowej. Obraz tej operacji zamieszczono na powyższym zdjęciu
Rys.5. Miejsce ustawienia wzbudnika i miejsce zamontowania czujnika podczas pomiaru częstości drgań własnych obudowy wentylatora 2 od strony silnika napędowego. Czujnik zamontowany w p.p. 14.
Rys.6. Element wsporczy kanału tłocznego powietrza wtórnego który oznaczony został jako element 15.
Rys.7. Elementy wsporcze kanału tłocznego powietrza wtórnego które oznaczone zostały jako elementy 16 i 17.
Rys.8. Elementy środkowego ukłau wsporczeg kanału tłocznego powietrza wtórnego. Układ wsporczy znajduje się pod główną wewnętrzną belką rozporową, króra na rys. 3 oznaczona została nr 8. W sład mierzonego ukłau wchodzą elementy oznaczone nrumerami : 18, 19, 20, 21, i 23.
Rys.9. Elementy ostatniego ukłau wsporczeg kanału tłocznego powietrza wtórnego. Układ wsporczy znajduje się na końcu kanału. W sład mierzonego ukłau wchodzą elementy oznaczone nrumerami : 22, 24, 25, 26, i 27.
3. Opis pomiarów.
Pomiary wykonano w następujący sposób.
Na wytypowanych do pomiarów częstości drgań własnych elementach instalowano na czas pomiaru piezoelektryczne czujniki przyśpieszeń drgań. Czujniki drgań mocowane były przy pomocy uchwytów magnetycznych. Czujnik drgań połączono z wzmacniaczem ładunku typ 2626 firmy Brüel&Kjær, który wzmacnia sygnały przyśpieszenia drgań. Tak wzmocniony sygnał drganiowy podany został na kanał X oscyloskopu katodowego, który ustawiony został w rodzaj pracy X – Y.
Z generatora drgań sinusoidalnych o regulowanej częstotliwości w zakresie od 1 Hz do
500 Hz podano sygnał na wzmacniacz mocy i jednocześnie na kanał Y oscyloskopu katodowego. Z wzmacniacza mocy, ten regulowany z uwagi na zmianę częstotliwości sinusoidalny sygnał podany został do elektrodynamicznego wzbudnika drgań. Przykładając wzbudnik drgań do elementu, którego wyznaczano częstość drgań własnych i zmieniając częstotliwość drgań uzyskano taką częstotliwość przy której amplituda drgań tego elementu była największa. Jest to stan rezonansowy, a odczytana częstotliwość jest częstotliwością drgań własnych tego elementu. Częstotliwość drgań własnych to ta, dla której obserwowane na oscyloskopie krzywe Lissajous przyjmują postać elipsy.
Konfigurację torów pomiarowych podczas pomiarów, rejestracji i analizy drgań przedstawiono na rys.10
Rys.10. Konfiguracja torów pomiarowych przy pomiarach częstości drgań własnych elementów kanału tłocznego powietrza wtórnego na obiekcie w Elektrowni Łagisza.
WYNIKI POMIARÓW
4. Wyniki pomiarów i analiza wyników pomiaru drgań.
W tablicy nie zamieszczono wyników pomiarów częstości drgań własnych wszystkich „półek i pionowych przegród” kraty wlotowej do kanału tłocznego wykonanej z blachy o grubości 4 mm. Półki te w ilości 17 elementów posiadają częstości drgań własnych wynoszące od f = 119 Hz do f = 125 Hz. Elementy o tej wartości częstości drgań własnych nie powodują zagrożenia występowania ich drgań rezonansowych podczas normalnych warunków eksploatacji bloku. W związku z tym w dalszej części opracowania nie zajęto się już problemem możliwości drgań rezonansowych tych elementów.
Poniżej, celem przypomnienia podano jakie dominujące częstotliwości drgań układu wsporczego występowały podczas pomiarów przeprowadzonych podczas I etapu badań. Częstotliwości te zmieniały się w zależności od obciążenia bloku. W zakresie obciążeń od N = 220 MW do N = 380 MW w podporach kanału dominowała częstotliwość ok. f = 33 Hz. Przy obciążeniu bloku N = 380 MW i otwarciu aparatu kierownicy 42 % brak było wyraźnie dominującej częstotliwości.W zakresie obciążeń od N = 380 MW do N = 460 MW w podporach kanału dominowała częstotliwość ok. f = 15 Hz. W sprawozdaniu z poprzednich pomiarów przeprowadzonych w grudniu 2009r. zwrócono również uwagę, że przy pewnych wartościach otwarcia kierownicy, dla danego obciążenia bloku, drgania podpór malały i równocześnie w drganiach tych podpór brak było wyraźnie dominujących składowych drgań.
Poniżej zamieszczono przypomnienie jakie częstotliwości dominowały w drganiach kanału przy danym obciążeniu obserwowanych podczas I etapu badań.
Obciążenie bloku N = 220 MW. Wartość otwarcia łopat – 20%.
· Uwaga: Dominująca częstotliwość rezonansowa wynosi f = 33,375 Hz
Obciążenie bloku N = 260 MW. Wartość otwarcia łopat – 16%.
· Uwaga: Dominująca częstotliwość rezonansowa wynosi f = 32,875 Hz
Obciążenie bloku N = 300 MW. Wartość otwarcia łopat – 23,5%.
· Uwaga: Dominująca częstotliwość rezonansowa wynosi f = 33,250 Hz
Obciążenie bloku N = 340 MW. Wartość otwarcia łopat – 24 %.
· Uwaga: Dominująca częstotliwość rezonansowa wynosi f = 33,625 Hz
Obciążenie bloku N = 380 MW. Wartość otwarcia łopat – 42 %.
v Uwaga: Brak dominującej częstotliwości rezonansowej.
Obciążenie bloku N = 380 MW. Wartość otwarcia łopat – 55 %.
o Uwaga: Dominująca częstotliwość rezonansowa wynosi f = 14,375 Hz
Obciążenie bloku N = 380 MW. Wartość otwarcia łopat – 60 %.
o Uwaga: Dominująca częstotliwość rezonansowa wynosi f = 15,00 Hz
Obciążenie bloku N = 420 MW. Wartość otwarcia łopat – 70 %.
o Uwaga: Dominująca częstotliwość rezonansowa wynosi f = 14,375 Hz
Obciążenie bloku N = 420 MW. Wartość otwarcia łopat – 75 %.
o Uwaga: Dominująca częstotliwość rezonansowa wynosi f = 15,125 Hz
Obciążenie bloku N = 460 MW. Wartość otwarcia łopat – 93 %.
v Uwaga: Nie ma dominującej częstotliwości rezonansowej.!!!!!
Obciążenie bloku N = 460 MW. Wartość otwarcia łopat – 92 %.
o Uwaga: Dominująca częstotliwość rezonansowa wynosi f = 15,375
W tablicy 1 z II etapu badań zamieszczono podstawowe częstości drgań własnych elementów, które zostały odpowiednio ponumerowane i pokazane na rysunkach od rys.1 do rys.9.
Tłem czerwonym oznaczono częstotliwości tych elementów, które pracując w rezonansie będą wzbudzały częstotliwość podpór wynoszącą f = ok. 33 Hz.
Tłem granatowym oznaczono częstotliwości tych elementów, które pracując w rezonansie będą wzbudzały częstotliwość podpór wynoszącą f = ok. 15 Hz.
Niezależnie od obu grup częstotliwości należy zwrócić uwagę, że drgania elementów drgających z częstotliwością ok. 15 Hz, będą wymuszały do drgań rezonansowych elementy, których częstotliwości drgań własnych wynoszą ok. 33 Hz.
Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że cały układ wewnętrznych rozpór, zastrzałów, podłoga kanału i elementy podarć kanału narażony są na występowanie wzajemnie oddziałujących drgań rezonansowych, jeżeli tylko wystąpi jakieś wymuszenie
o częstotliwości f = 15 Hz lub jemu bliskie, lub wymuszenie o częstotliwości f = ok. 33 Hz.
W przypadku takiego wymuszenia, jakim może być np. układ mechaniczny lub zawirowania przepływu powietrza mechanizm powstawania drgań rezonansowych podparć wygląda następująco.
Po pojawieniu się w układzie kanału tłocznego „jakiejś” zmiennej siły o częstotliwości np.
f = 33 Hz wprowadzone zostają do drgań rezonansowych następujące z pomierzonych elementów: element 3, 4, 5, 6, 7, 14, 15, 16, 21, 22, 23 i 24. Niektóre z tych elementów gromadzą w sobie energię i pracują cały czas z dużą amplitudą drgań generując drgania np. do podłogi kanału, która również zaczyna drgać z dużą amplitudą. Tak więc cały układ wraz
z podporami zaczyna drgać bardzo intensywnie. Jeżeli amplitudy drgań jakiegoś z tych elementów przekroczą wartości dopuszczalne (z uwagi na zmęczenie materiału) to ten element ulegnie zniszczeniu – np. pęknięcia w spoinach łączonych elementów.
Podobne zjawisko wystąpi jeżeli częstotliwość zmiennej siły wymuszającej będzie wynosić np. f = ok.15 Hz. W tym przypadku zostaną pobudzone do drgań następujące elementy: element 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15, 18, 19, 20, 25, 26 i 27. Jednak w tym przypadku zostaną pobudzone do drgań rezonansowych również wszystkie elementy, których częstości drgań własnych wynosiły ok. f = 30 Hz. Z kolei drgania rezonansowe elementów o częstotliwości f = 30 Hz wymuszą do drgań rezonansowych wszystkie elementy, których częstotliwość drgań własnych wynoszą np. od 25 Hz do 40 Hz. Jeżeli jeden lub kilka elementów o częstości drgań własnych f = ok. 15 Hz lub ok. 30 Hz jest bardzo podatny na te wymuszenia (bardzo łatwo wpada w drgania rezonansowe) to ten element pracuje cały czas jako generator drgań wzbudzając cały układ kanału tłocznego do drgań o dużej amplitudzie.
Na podstawie wyżej podanego omówienia i na podstawie podanych w tablicy 1 wyników należy stwierdzić, że cała konstrukcja kanału tłocznego wentylatora powietrza wtórnego jest narażona na występowanie drgań rezonansowych.
W związku z tym zaleca się aby, podczas eksploatacji bloku przeprowadzić pomiary drgań wewnętrznych elementów rozpierających kanał. Takie pomiary pozwolą wskazać, które z tych elementów są wzbudzane do drgań i dalej generują drgania, a które nie drgają i pozostają nie wzbudzone. Drgające elementy będą celem zabiegów ich zmian konstrukcyjnych zmierzających do minimalizacji ich drgań jako wewnętrznych generatorów drgań pobudzających cały układ wsporczy kanału powietrza wtórnego do drgań zgodnych z ich częstością drgań własnych, czyli do drgań rezonansowych.
Jest wielce prawdopodobne, że zmienna siła wymuszająca występowanie zjawiska wzajemnego pobudzania do drgań pojawia się w wentylatorze, wzbudzając korpus jego osłony, który oznaczony został jako element nr 14. W takim przypadku zabieg minimalizacji drgań kanału, oprócz zmian konstrukcyjnych wsporników wewnętrznych kanału polegać będzie prawdopodobnie na zmianie sztywności wspomnianej obudowy wentylatora.
5. Wnioski.
A. Pomiary częstotliwości drgań własnych elementów wewnętrznych, rozpierających kanał i elementów wsporczych podpierających kanał pokazały, że wszystkie pomierzone elementy podczas eksploatacji bloku narażone są na występowanie drgań rezonansowych.
B. Porównując wyniki pomiarów drgań uzyskanych podczas pomiarów przeprowadzonych w I etapie badań z pomiarami drgań własnych elementów należy stwierdzić, że obserwowane podczas eksploatacji bloku drgania kanału tłocznego wentylatora powietrza wtórnego są drganiami rezonansowymi podtrzymywanymi przez drgające elementy wewnętrzne kanału.
C. Najbardziej podatne na drgania rezonansowe są elementy znajdujące się
w środkowej części kanału i oznaczone na rysunkach numerami 8, 9 i 10 .
D. Wzbudzenie do drgań rezonansowych drugiej postaci o częstotliwości f = 39,8 Hz elementu nr 8 spowodowało wystąpienie drgań rezonansowych podłogi kanału
o częstotliwości f = 39,8 Hz w miejscu oznaczonym nr 13.
E. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów stwierdza się, ze istnieje realna szansa na minimalizację drgań kanału poprzez zastosowanie niewielkich zmian konstrukcyjnych polegających na modernizacji układu belek rozpierających kanał.
F. Celem wytypowania do modernizacji konkretnych belek rozpierających niezbędne jest wykonanie pomiarów drgań elementów znajdujących się wewnątrz kanału. Pomiary należy wykonać w warunkach eksploatacji takich , w jakich przeprowadzono pomiary w I etapie badań.
6. Podsumowanie.
Istnieje realna możliwość minimalizacji drgań kanału tłocznego powietrza wtórnego. Wykonanie pomiarów drgań elementów wewnętrznych kanału
w warunkach eksploatacji bloku zagwarantuje pozyskanie danych, które będą podstawą do zmian konstrukcyjnych, niezbędnych celem przeprowadzenia minimalizacji drgań kanału tłocznego powietrza wtórnego.
1. Zalecenie.
Podczas eksploatacji bloku należy przeprowadzić pomiary drgań elementów wewnętrznych kanału celem wytypowania do modernizacji tych elementów, które obecnie są wewnętrznym źródłem drgań. Wzbudzają one i podtrzymują w rezonansie cały układ wsporczy wraz z samym kanałem.
Celem realizacji powyższego zalecenia przeprowadzono III etap badań.
Katalog publikacji 
.jpg)
.jpg)
.JPG)
