Modaltest på vattenkraftsturbinens skovlar

TIWAG, en stor österrikisk kraftverksoperatör, bad om hjälp för att validera en omdesignad vattenturbin. Den tidigare modellen gick sönder på grund av en resonansöverlappning mellan axelns rotationshastighet och skovlarnas egenresonans. Dewesoft tillhandahöll en effektiv fältlösning för snabb validering av turbinens modala parametrar och för att spara data som bevis vid eventuella framtida problem.

TIWAG är den ledande energitjänstleverantören i den västra österrikiska alpregionen Tyrolen. Företaget installerar och underhåller vattenkraftverk. Förutom vattenkraft producerar det även miljövänlig el från inhemska, förnybara energikällor såsom solenergi och biomassa.

Problemet

Denna stora österrikiska kraftverksoperatör bad om hjälp för att validera en omdesignad vattenturbin som för närvarande var i drift hos ett annat företag specialiserat på turbintillverkning.

Den omdesignade turbinen är en Peltonmodell, en relativt enkel konstruktion. En stor cirkulär skiva är monterad på en roterande axel, kallad rotor. På skivan sitter skålformade skovlar, så kallade buckets, jämnt fördelade runt hela hjulet. Munstycken riktar sedan vattenstrålar mot skovlarna och får turbinen att rotera.

I detta fall har skivan en diameter på cirka 4 meter och väger 10 ton. Den har 23 skedformade skovlar, drivs av sex vattenmunstycken med cirka 120 bar, roterar med en nominell hastighet på 500 rpm och genererar en effekt på 250 MW.

Konstruktionen behövde förbättras. Den tidigare modellen gick sönder på grund av en oväntad resonansöverlappning mellan en högre harmonisk av axelns rotationshastighet och skovlarnas egenresonansfrekvens. Resultatet blev kraftiga vibrationer som ledde till total turbinhaveri.

Ingenjörerna på TIWAG behövde en lösning för att validera de modala egenskaperna hos den nya turbindesignen med modifierad skovelform. Den förändrade formen skulle flytta vibrationsmönstret i första moden från 700 Hz till cirka 770 Hz, vilket ansågs säkert.

Dewesoft erbjöd en effektiv fältlösning för att validera modaltestning och analys av turbinens skoveldesign samt för att spara data som bevis vid eventuella framtida problem.

Lösningsuppställning

Hårdvara

• Dewesoft SIRIUSi Custom med 2xACC, 2xACC+, 2xHV, 2xMULTI, ett 8-kanals isolerat datainsamlingssystem med USB2-gränssnitt

• Endevco 2302-100, skalning 22,7 mV/N, modalhammare

• PCB 352A56, skalning 99,3 mV/g, accelerometer

Programvara

• DewesoftX, programvara för test och mätning, datainsamling, signalbearbetning och datavisualisering

  DewesoftX-DSA, mjukvarupaket som inkluderar modaltestalternativet OPT-MODAL-TEST

Modaltestning

I detta fall ansågs slagprovning, eller experimentell modaltestning, vara den lämpliga metoden. Denna metod har fördelen att den endast kräver ett minimum av utrustning, endast en vandrande eller slagande hammare och en sensor behövs.

Efter ett slag med testhammaren visade det sig att egenfrekvenserna för de 23 rotorskåvlarna låg runt 770 Hz. På grund av turbinens tillverkningsprecision låg de mycket nära varandra, och fasen ändrades flera gånger inom ett smalt frekvensområde.

Valet av samplingsfrekvens, 5000 Hz, och linjeupplösning, 8192 linjer, df = 0,305 Hz, var det mest kritiska. Vi behövde anpassa båda inställningarna samtidigt som vi tog hänsyn till den resulterande mättiden för varje slag. Den fick inte vara för lång.

Den valda frekvensupplösningen krävde insamling av en relativt stor mängd data och en ganska lång mättid för att beräkna en FFT, t = 1 / df = 1 / 0,305 Hz = 3,28 s. Eftersom den massiva stålkonstruktionen har låg dämpning varade ringningen efter varje hammarslag i flera sekunder innan den klingade av. Därför var det också viktigt att lämna tillräckligt med tid mellan slagen.

Geometrimodellen

I programvarans Modal Geometry Editor förenklade vi skoveln till en 2D-form med åtta slagpunkter placerade längs den övre kanten. För korrekt visualisering och skuggning av rörelsen kopplade vi samman dessa punkter med linjer och använde några trepunktsformer däremellan.

Accelerometern monterades i punkt nummer 8 medan vi flyttade hammarslagen mellan punkt 1 till 8. Vi utförde tre hammarslag vid varje mätpunkt för att få ett giltigt medelvärde. För varje skovel skapade vi en ny datafil.

Mätskärm

Visningen i figur 6 genereras automatiskt som standard så snart mätningen startar. Mätskärmen möjliggör validering i realtid av exciterings- och responssignaler i både tids- och frekvensdomänen, för att snabbt identifiera dubbla slag och upprepa mätningar samt för att visa överföringsfunktionen och koherensen.

Programvaran markerar den aktuella mätpunkten i rött. Geometrin kan roteras i 3D med musen, och flera visualiseringsalternativ finns tillgängliga, såsom toppvy, sidovy, ortogonal vy och odeformerad bakgrundsform.

Modal analys

När mätningarna var klara bytte vi till den fördefinierade skärmen “Modal test - Analysis” för att studera alla överföringsfunktioner, amplituder och faser i ett Bode-diagram. När fasen ändras med 180 grader och amplituden är maximal indikerar detta en resonans.

Frekvens och dämpning

Spektrumet visade många resonanser inom ett smalt frekvensband, i figur 7 har vi zoomat in området från 750 till 800 Hz. Vid detta tillfälle var vi främst intresserade av första moden runt 780 Hz. I detta fall är linjär skalning av y-axeln enklare för att hitta den dominerande toppen.

Den modala cirkeln gav möjlighet att få mer exakta resultat från den experimentella modaltestningen genom att interpolera mellan FFT-linjerna. Strukturanimationen nedan visar tydligt den första modformen, en upp- och nedrörelse hos skoveln medan strukturen i ljusgrå färg förblir odeformerad. Notera den låga dämpningsfaktorn som beror på den massiva stålkonstruktionen.

Slutsats

Mätningen på alla 23 skovlar visade en genomsnittlig resonansfrekvens på 782,5 ± 3,9 Hz. Ingenjörerna på TIWAG bedömde detta som acceptabelt, den nya turbindesignen anses vara driftsäker. Hela mätprocessen, inklusive uppsättning av utrustningen, tog endast cirka två timmar, och TIWAG ser fram emot att använda denna enkla lösning i det dagliga arbetet.

“Bagageutrymmet i vårt fordon var alltid fullt med utrustning och kablar när vi använde det tidigare mätsystemet,” säger chefen för TIWAGs testavdelning. “Dewesoft-systemet är en mycket mer kompakt och robust lösning. Och vi slutför nu testerna snabbare, och med stor tillfredsställelse.”