Применение методов модального анализа в атомной, ветро - и гидроэнергетике

Когда речь заходит о применении данных вибрации в промышленности, чаще всего подразумеваются вибромониторинг и вибродиагностика, являющиеся одним из основных способов определения состояния различных машин и агрегатов, например подшипников, турбин, генераторов.

Методы вибродиагностики позволяют достаточно точно и эффективно определять широкий спектр неисправностей, как-то: дисбаланс; несоосность вала; дефекты производства, установки и износа подшипников; дефекты смазки и многие другие. С помощью вибрационного мониторинга можно обеспечить неразрушающий контроль промышленного оборудования, получая при этом максимальную эффективность при минимуме затрат.

Однако возможности применения данных вибрации не ограничиваются сферой вибромониторинга и вибрационной диагностики в «классическом» понимании этого слова. В данной статье рассматривается один из методов анализа вибрации, выходящих за пределы вибрационной диагностики, а именно — модальный анализ.

Знание собственных частот какой-либо структуры позволяет правильно учесть возможные нагрузки, которые возникают в условиях эксплуатации, а, если конструкция уже эксплуатируется, определить ее состояние и, если потребуется и если существует такая возможность, внести изменения в конструкцию.

Различают два вида модального анализа, которые основываются на данных измерения вибрации:

• экспериментальный модальный анализ (ЭМА),
• операционный модальный анализ (ОМА).

Экспериментальный модальный анализ

ЭМА предполагает наличие контролируемого или, по меньшей мере, измеряемого внешнего возбуждения объекта. Примером анализа такого рода является получение характеристик крыла самолета с помощью модального молотка или вибростенда.

В первом случае сила удара измеряется с помощью встроенного датчика молотка, во втором случае датчик силы крепится между крылом и толкателем вибростенда. Использование модального молотка в общем случае дает более грубые результаты, но занимает гораздо меньше времени, кроме того, в некоторых случаях (например, испытание зданий и сооружений) использование вибростенда не представляется возможным.

Рисунок 1. Проведение экспериментального модального анализа с помощью вибростенда (первый снимок) и с помощью модального молотка (второй снимок)

Видеоролик вебинара, посвященного ЭМА

Операционный модальный анализ

Операционный модальный анализ позволяет провести модальный анализ, используя только выходной отклик конструкции. Он сильно отличается от ЭМА, который основывается на частотной характеристике между входным возбуждением и выходным откликом.

Благодаря ОМА характеристики объекта определяются из данных, полученных в ходе эксплуатации объекта, без применения какого-либо внешнего измеренного возбуждения. Примером операционного модального анализа является получение собственных частот крыла самолета по данным вибрации, записанным в полете.

Таблица 1. Сравнение ОМА и ЭМА

Оборудование для модального анализа

Получение данных при модальном анализе осуществляется с помощью многоканальных систем сбора данных. Например, многоканальная модульная аппаратная платформа ВС-407М (на рисунке ниже представлена в трех модификациях). Основным типом используемых датчиков являются акселерометры, в некоторых случаях используются также лазерные датчики скорости и перемещения.

Рисунок 2.1 Cистема измерительная управляющая ВС-407М

Рисунок 2.2 Cистема измерительная управляющая ВС-407М с подключенными датчиками и модальным молотком

Обе упомянутые выше разновидности модального анализа требуют проведения измерений, то есть являются практическими методами. Однако существуют методы численного моделирования, например, конечно-элементный анализ (Finite Element Analysis, FEA), которые позволяют создать математическую модель исследуемого объекта и по ней определить требуемые характеристики объекта.

Модальный анализ в энергетике

Рассмотрение применения модального анализа в энергетике можно начать с [2], где описываются способы применения модального анализа в атомной отрасли, а именно:

1. определение причин поломок оборудования. В [2] приводится пример определения причин выхода из строя центробежного насоса теплоносителя исследовательского реактора. Рассматриваемый насос на протяжении многих лет работал без поломок, затем началась серия поломок подшипников качения, причем подшипники, устанавливаемые на замену, также быстро выходили из строя. При помощи модального анализа было определено, что первая мода опор подшипников близка ко второй гармонике частоты вращения вала, при этом даже небольшая несоосность вала влекла возбуждение моды, которое, в свою очередь, приводило к увеличению несоосности вала;
2. проверка конструктивных элементов АЭС на соответствие эксплуатационным нагрузкам. В [2] приводится пример барботажной трубки замедлителя и направляющей трубки регулирующего стержня, которые подверглись проверке, состоящей из этапов составления конечноэлементной модели, проведения экспериментального модального анализа и уточнения конечноэлементой модели по полученным данным, использование модели для расчета максимальных параметров вибрации в условиях эксплуатации, сравнения результатов расчетов с измеренными в условиях эксплуатации данными;
3. проведение оптимизации конструкции элементов АЭС. В [2] приводятся примеры модификации конструкции топливной сборки, а именно изменения опорных выступов с целью изменения формы колебаний и, соответственно, уменьшения износа от трения топливных стержней, а также уменьшения количества разделяющих проставок в канале теплоносителя с целью уменьшения падения давления. В первом случае модальный анализ проводился с целью определения форм колебаний после внесения модификаций, во втором — с целью определения собственных частот и проверки того, что ни одна из частот не будет возбуждаться в ходе эксплуатации.

В гидроэнергетике одним из основных применений модального анализа является определение состояния плотин. Признаком начала разрушения плотины является изменение модальных параметров [3], при этом может применяться как экспериментальный, так и операционный модальный анализ.

Применение экспериментального модального анализа затрудняется тем, что необходимо проводить измерения либо период простоя электростанции, либо в часы низкой нагрузки, так как в противном случае реакция на сигнал возбуждения на определенных частотах может быть неотличима от реакции плотины на вибрацию, возбуждаемую работой электростанции [3].

Также проведение экспериментального модального анализа требует применения дорогостоящего и массивного оборудования, например, эксцентриковых вибростендов, один из которых показан на рисунке ниже.

Рисунок 3.Эксцентриковый вибростенд, примененный при проведении экспериментального модального анализа плотины Байхо Сабор [3]

Операционный модальный анализ, в свою очередь, не требует простоя электростанции, также необходимо учитывать то, что в измеряемых сигналах присутствуют гармоники от работы турбин и прочего оборудования [3].

Как и в случае с гидроэнергетикой, в ветроэнергетике модальный анализ применяется, в основном, для определения целостности конструкции, а именно лопастей винта, гондолы, башни.

Особенно важным применение модального анализа с целью оптимизации динамического поведения структуры ветрогенератора является для станций, расположенных в регионах с субтропическим и тропическим климатом, в которых велика вероятность воздействия ураганов и циклонов. В силу конструктивных особенностей ветрогенераторов экспериментальный модальный анализ практически невозможен ввиду трудностей с установкой возбудителей [4].

Операционный модальный анализ в данном случае затрудняется тем, что структура ветрогенератора не является статичной: могут изменяться углы поворота лопастей и гондолы, также оказывает влияние вращение ротора. Однако перечисленные выше проблемы могут быть решены планированием эксперимента таким образом, чтобы измерения проводились в момент незначительных изменений углов поворота гондолы и лопастей, а также применением различных методов анализа данных с целью избавления от гармоник, соответствующих частоте вращения ротора [4].

Выводы

Опираясь на вышесказанное, можно утверждать, что методы анализа находят широкое применение в атомной, ветро- и гидроэнергетике. При помощи модального анализа может быть решен широкий спектр проблем:

• определение состояния существующих и оптимизация конструкции вновь возводимых зданий и сооружений, например ветрогенераторов и плотин;
• определение причин серийных поломок оборудования различного рода, как то насосов, турбин, генераторов и т.д.;
• оптимизация конструкции различных составных частей, например топливных стержней и топливных сборок.

Список литературы

1. Avitable, Pete. Modal Analysis: A practitioners guide. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2018, 524 стр.
2. Sinha J.K. Vibration-based diagnosis techniques used in nuclear power plants: An overview of experiences// Nuclear Engineering and Design — 2008. — № 238. — стр. 2439–2452.
3. Gomes J., Pereira S., Magalhães F., Lemos J.V., Input-output vs output-only modal identification of Baixo Sabor concrete arch dam// 9th European Workshop on Structural Health Monitoring (EWSHM 2018). Манчестер, 2018.
4. Tcherniak D., Chauhan S., Hansen H.M. Applicability Limits of Operational Modal Analysis to Operational Wind Turbines// Structural Dynamics and Renewable Energy— 2011. — № 1. — стр. 317–327.