FAKULTET STROJARSTVA I RAČUNARSTVA

VIBRACIJSKA DIJAGNOSTIKA STROJEVA I UREĐAJA

Analiza vibracijskog signala rotora ventilatora

Sažetak : Sustav rotora ventilatora može generirati velike amplitude komponente frekvencije

prolaska lopatica (BPF – blade-passing frequency) ako razmak između rotirajućih lopatica i

stacionarnih difuzora nije jednak. U ovoj studiji je proveden niz testova koristeći

SpectraQuest’s Machinery Fault SimulatorTM (MFS) da bi se promatralo karakteristične

promjene frekvencije prolaska lopatica (BPF) i njezinih harmonika prije i poslije instalacije

prepreke blizu aksijalnog ventilatora i plašta oko ventilatora s lopaticama. Rezultati pokazuju

da je prepreka imala očigledan i dosljedan efekat na komponente 1BPF i 2BPF za sistem

rotora aksijalnog ventilatora. Međutim, za oba testirana ventilatora s lopaticama, plašt nema

veliki efekt na 1BPF, 2BPF karakteristične promjene.

UVOD:

Za vrijeme rada turbo strojeva, kao što su pumpe, ventilatori ili turbine, proizvode se

dinamičke perturbacije fluida i mogu dovesti do pojave vibracija i emisije buke. Tipične

dinamičke uzbude fluida u takvim strojevima uglavnom su povezane sa čistim tonom („pure-

tone“- sastoji se od jedne frekvencije) (rotacijska frekvencija, frekvencija prolaska lopatica

BPF) i širokopojasnih frekvencijskih komponenti. Rotacijska frekvencija je uslijed male

nesuosnosti, neizbalansiranosti ili proizvodnih nesavršenosti impelera. Fenomen

širokopojasnosti je obično uzrokovan turbulencijama protoka i kavitacijom. U nekim

slučajevima, uzbuda na frekvenciji prolaska lopatica - BPF je dominantna. Ova studija če se

usredotočiti na pitanja o rotorima ventilatora i frekvenciji prolaska lopatica – BPF. Svaki put

kad lopatica prolazi točku u prostoru ili zapreku, fluktuacija impulsa sile utječe na fluid ili

čvrsto tijelo. Ako se ventilator sa N oštrica vrti na f s rpm, onda je broj impulsa po sekundi f B:

f B=N × f s rpm

Frekvencija f B se zove frekvencija prolaska lopativa (BPF). Ova frekvencija je

karakteristična za pumpe, ventilatore i kompresore, i obično ne predstavlja problem.

Međutim, mogu nastati velike amplitude BPF komponente i njezinih harmonika u pumpi ili

ventilatoru ukoliko udaljenost između rotirajućih lopatica i stacionarnih difuzora nije jednaka

po cijelom opsegu. Ove različite udaljenosti će prouzročiti da protok zraka pumpe ili

ventilatora varira, što uzrokuje da se statički i dinamički tlakovi lopatica također promijene.

Kao odgovor na ove fluktuacije tlačnih opterećenja, generirati će se veća amplituda BPF

komponente. Tipična krivulja statičkog tlaka kao funkcije brzine protoka je prikazana na slici

1.

Slika 1 – tipična krivulja statičkog tlaka i brzine protoka za centrifugalni ventilator

BPF komponenta ili njezini harmonici se ponekad se može poklopiti sa prirodnom

frekvencijom sustava, a zatim uzrokovati visoke vibracije. Visoke BPF vibracije mogu se

generirati npr. ako prsten impelera zaglavi na osovini. Nadalje, visoke BPF vibracije mogu

biti uzrokovane naglim zavojima u cijevi ili kanalu, preprekama koje mogu poremetiti protok,

postavkama prigušivača ili ako je rotor pumpe ili ventilatora postavljen ekscentrično unutar

kućišta. Slika 2. predstavlja tipične signale frekvencije prolaska lopatica u aerodinamičnom

sustavu, gdje je 2BPF dvostruka BPF. 1X rpm sidebands prikazani na slici 2. nastaju od

modifikacije amplitude BPF komponenti od strane 1X komponenti. Za čisti signal (pure-tone

signal) sin(ω¿¿c t)¿ , ako je njegova amplituda modulirana od strane drugog vala

¿

onda koristeći trigonometrijske identitete, modulirani rezultat je:

y(t) = ¿

= A sin(ωc¿t)+ M2 {sin [ ( ωc+ωm )t +∅ ]+sin [ (ωc−ωm ) t−∅ ]}¿ ,

gdje je ωc noseća(carrier), a ωm modulirana frekvencija. Može se jasno vidjeti da pored komponente noseće (carrier) frekvencije sin(ω¿¿c t)¿, da su prisutna dva sidebanda sa frekvencijama ωc+ωm i ωc−ωm u moduliranome spektru. Za vibracijske signale ventilatora, BPF i njezini harmonici su noseće (carrier) frekvencije, a brzina vrtnje je modulirana frekvencija. Pošto su BPF i njezini harmonici viši od frekvencije vrtnje, modulacija amplitude uzrokovana 1X vibracijama rezultira sideband-ovima BPF komponenti kao na slici 2.

Slika 2. – frekvencija prolaska lopatica (BPF) i njezini sideband-ovi

U ovoj studiji proveden je niz ispitivanja korištenjem SpectraQuest’s MFS i komplet

ventilatora da bi se promatrale promjene 1BPF i 2BPF komponenti, sa i bez prepreke protoku

zraka i plašta. Brzine vrtnje su bile 1000 rpm, 2000 rpm i 3000 rpm.

Komplet ventilatora na kojem se vršio test sadrži:

jedan metalni plašt

jedan ventilator sa 6 lopatica

jedan ventilator sa 10 lopatica

jedan aksijalni ventilator sa 12 krilaca

jedna metalna ploča koja služi kao prepreka protoku aksijalnog ventilatora

2. EKSPERIMENTALNE POSTAVKE

Slike od 3 do 5 prikazuju eksperimentalne postavke za aksijalni ventilator sa 12 krilaca sa i

bez prepreke protoku, i ventilator sa 5 i 10 lopatica sa i bez plašta.

Slika 3. – prije i poslije montiranja prepreke u testu sa aksijalnim ventilatorom sa 12 krilaca

Slika 4. – prije i poslije montiranja metalnog plašta u testu sa ventilatorom sa 6 lopatica

Slika 5. – ventilator sa 10 lopatica

3. EKSPERIMENTALNI REZULTATI I ANALIZA

Svi eksperimentalni podaci prikupljeni su i analizirani sa SpectraQuest-ovim VibraQuest

sistemom. VibraQuest sustav sadrži prijenosni višekanalni prednji kraj za prikupljanje

podataka i moćne funkcije analize istih. Za svaki tip testa ventilatora, rezultati prije i poslije

instaliranja opstrukcija / plašta su uspoređeni sa Comparison Panel-om VibraQuest sistema.

3.1 Aksijalni ventilator sa 12 krilaca

a) 1000 rpm: 1X = 16.67 Hz, 1BPF = 200.04 Hz, 2BPF = 400.08 Hz

Slika 6. prikazuje usporedbu spektra aksijalnog ventilatora sa 12 krilaca koji se vrti na 1000

rpm sa i bez prepreke, predstavljenog kao TEST 1 i TEST 2 koji su prikazani na slici. Slika

jasno pokazuje da za test sa preprekom i 1BPF i 2 BPF imaju veće amplitude u odnosu na test

bez prepreke. Protok zraka je zbog prepreke ograničen. Kao što je prikazano na slici 1. tlak

zraka raste kao posljedica pada protoka. Ovo objašnjava zašto amplitude opadaju ako BPF

komponenta i njezini harmonici rastu. Također uočavamo da sideband-ovi nisu značajni. To

je zato što je svih 12 krilaca u dobrom stanju. Dakle, efekt modulacije amplitude uzrokovan

od strane 1X je malen. Međutim, u ovom testu postoji povećanje amplitude 16X komponente.

Slika 6. – Usporedba spektara aksijalnog ventilatora sa 12 krilaca pri brzini vrtnje od 1000rpm prije i poslije postavljanja prepreke

b) 2000 rpm: 1X = 33.33 Hz, 1BPF = 400.00 Hz, 2BPF = 800.00 Hz

Slične rezultate uočavamo u testu sa brzinom vrtnje 2000 rpm kao što je prikazano na slici 7.

Amplitude 1BPF i 2 BPF komponenata rastu zbog prepreke. Jedan sideband ima veću

amplitudu ali drugi ne. 16X također raste ali ne toliko kao u prethodnom testu sa 1000rpm.

Slika 7. – Usporedba spektara aksijalnog ventilatora sa 12 krilaca pri brzini vrtnje od 2000rpm prije i poslije postavljanja prepreke

c) 3000 rpm: 1X = 50.00 Hz, 1BPF = 600.00 Hz, 2BPF = 1200.00 Hz

Utvrđeno je da se amplituda 1BPF komponente povećava, ali amplituda 2BPF ne u ovom

testu. U međuvremenu, jedan sideband je imao mali porast ali drugi nisu. Također je utvrđeno

da se 16X nije povećala kao u prethodna dva slučaja. Slika 8. prikazuje usporedbu rezultata za

brzinu vrtnje od 3000rpm. 1X komponenta je dominantna u ovom testu

Slika 8. – Usporedba spektara aksijalnog ventilatora sa 12 krilaca pri brzini vrtnje od 3000rpm prije i poslije postavljanja prepreke

Na sve tri brzine vrtnje za testove na aksijalnom ventilatoru sa 12 krilaca, promatrana 16X

komponenta poslje postavljanja zapreke. Razlog nije jasan, ali se smatra da je povezan sa

postavljanjem zapreke. Također je utvrđeno da, kako se povećava brzina vrtnje, 16X i 2BPF

komponente postaju sve manje i manje. To je zato što na višim frekvencijama sistem treba

veću energiju da uzbudi harmonike višeg reda. Dakle, 16X i 2BPF komponente su teže za

uzbuditi na povišenim brzinama

3.2 Ventilator sa 6 lopatica

Za test sa ventilatorom sa 6 lopatica korištena je brzina vrtnje od 2000rpm. Slika 9. prikazuje

usporedbu spektara prije (TEST 1) i poslije (TEST 2) dodavanja metalnog plašta. Utvrđeno je

da se 1BPF malo smanjila, ali je 2BPF imala veliki porast. Sidebandovi nisu uočeni.

Slika 9. – Usporedba spektara ventilatora sa 6 lopatica sa brzinom vrtnje od 2000rpm prije i poslije dodavanja plašta

3.3 Ventilator sa 10 lopatica

Slike 10 do 12 prikazuju usporedbu eksperimentalnih rezultata prije i poslije dodavanja plašta

za ventilator sa 10 lopatica pri brzinama vrtnje od 1000rpm, 2000rpm i 3000rpm. Može se

vidjeti da 1X i 1BPF komponente imaju mali pad amplitude, no 2BPF komponente su skoro

nepromjenjene na sve tri brzine vrtnje. Nema uočljivih sideband-ova.

Slika 10. – Usporedba spektara ventilatora sa 10 lopatica pri brzini vrtnje od 1000rpm prije i poslije postavljanja plašta

Slika 11. - Usporedba spektara ventilatora sa 10 lopatica pri brzini vrtnje od 2000rpm prije i poslije postavljanja plašta

Slika 12. - Usporedba spektara ventilatora sa 10 lopatica pri brzini vrtnje od 3000rpm prije i poslije postavljanja plašta

Poslije usporedbe i analize eksperimentalnih rezultata prije i poslije postavljanja plašta na

ventilatore sa 6 i 10 lopatica, saznali smo da plašt nema značajan efekt na BPF komponente i

sideband-ove. Dva su moguća razloga. Jedan je da je zazor između plašta i lopatica prevelik

da bi značajno utjecao na protok zraka. Drugi razlog je da je plašt pretanak i fleksibilan, što

čini protok zraka nestabilnim. Ovo će imati efekt na 1BPF i 2BPF ali ne presudan.

4. ZAKLJUČAK

Velike amplitude BPF i harmonika mogu biti generirane u rotoru pumpe ili ventilatora ako je

zazor između rotirajućih lopatica i stacionarnih difuzora nije jednak po opsegu. U ovoj studiji,

karakteristične BPF promjene su simulirane i analizirane koristeći SpectraQuest’s Machinery

Fault Simulator i VibraQuest software paket. Niz eksperimenata je proveden da bi se

promatrale promjene u ponašanju 1BPF i 2BPF komponenti i njihovih sideband-ova prije i

poslije postavljanja prepreke blizu aksijalnog ventilatora, i metalnog plašta oko ventilatora sa

lopaticama. Rezultati su pokazali da je prepreka imala očit i konzistentan efekat na 1BPF,

2BPF za aksijalni ventilator sa 10 krilaca, ali plašt nije imao značajniji efekt na 1BPF, 2BPF

ponašanje za ventilatore sa 6 i 10 lopatica korištenih u studiji.