Dołącz do czytelników
Brak wyników

Sprężarki z przekładnią zespoloną: nadzór stanu technicznego w aspekcie polityki utrzymania ruchu (cz. 1)

Artykuł | 11 stycznia 2021 | NR 2
0 63

Problematyka utrzymania ruchu, w szczególności dla maszyn krytycznych, a także innych, mających duże znaczenie dla realizowanego procesu produkcyjnego, jest nierozerwalnie związana z potrzebą oceny stanu technicznego (ST). Remonty środków produkcji realizowane są coraz rzadziej przez służby przedsiębiorstwa, w którym maszyny pracują, a coraz częściej na warunkach outsourcingu, co prowadzi do zmniejszenia kontroli nad niektórymi szczegółami ich realizacji. W szeregu przypadków tą działalnością serwisową jest zainteresowany producent maszyny i razem z maszynami sprzedaje serwisowe kontrakty długoterminowe, które są na ogół realizowane na bazie prewencyjnego UR.

 

Sprężarki przynależące do grupy „sprężarek z przekładnią zespoloną” (=SzZP) – przykład takiej sprężarki pokazano na rys. 1 [1] – są najchętniej dostarczane przez producentów z bardzo ograniczonym systemem nadzoru i zabezpieczeń. Rozwiązanie to jest akceptowalne dla maszyn podlegających prewencyjnemu UR, natomiast jest już trudniej akceptowane w przypadku sprężarek pracujących w jakimś systemie produkcyjnym jako maszyny krytyczne. Maszyny krytyczne każdego systemu produkcyjnego powinny być objęte UR bazującym na ciągłej ocenie bieżącego ST (np. predykcyjnym lub nawet proaktywnym UR).

 

Rys.1. Fragment SzZP produkcji MAN Turbomachinery pokazujący dwa stopnie sprężania

 

W artykule omówiono zróżnicowanie w konstrukcji tego typu maszyn, które wpływa na zróżnicowanie pomiarów realizowanych przez system monitorowania ich ST oraz opisano modelowe rozwiązania systemu nadzoru w zależności od stopnia krytyczności maszyny oraz przypisanej jej polityki UR.

 

Zróżnicowanie konstrukcyjne SzZP

SzZP cechują się zróżnicowaną konstrukcją i w konsekwencji prezentują zróżnicowane potrzeby w zakresie pomiarów wykorzystywanych dla ich systemów monitorowania i zabezpieczeń. Zróżnicowanie wynika przede wszystkim z różnej liczby wirników oraz ze zróżnicowania rozwiązania sposobu równoważenia siły osiowej generowanej przez wirniki.

Na rys. 2 pokazano schematy kinematyczne SzZP posiadających od 1 do 8 stopni sprężania i w konsekwencji zróżnicowaną liczbę łożysk nośnych.

 

Rys.2. Przykładowe schematy kinematyczne SzZP z różną liczbą wirników

 

 Dla SzZP w zróżnicowany sposób realizowane jest równoważenie siły poosiowej generowanej przez wirnik. W tym celu wykorzystywane jest to łożysko oporowe indywidulane dla każdego wału sprężarki napędzanego przez duże koło zębate, bądź też siły poosiowe wywiązujące się w każdym napędzanym wale, które są równoważone z pomocą pierścieni oporowych współpracujących z tym dużym kołem, które jest pozycjonowane poosiowo z pomocą łożyska oporowego. Oba rozwiązania zostały schematycznie pokazane na rys. 3 i 4.

Na rys. 3 pokazano sposób równoważenia się sił poosiowych wału z wirnikami pozycjonowanymi osiowo za pomocą pierścieni oporowych współpracujących z powierzchnią boczną dużego koła zębatego, tak jak to pokazano na rys. 3A, C oraz B [2]. Sumaryczne siły poosiowe z każdego stopnia są równoważone przez łożysko oporowo-nośne wału napędowego SzZP.

 

Rys.3. Poosiowe pozycjonowanie wirników sprężarki z pomocą pierścieni oporowych (A) i (B) oraz równoważenie się sił poosiowych w wirniku SzZP (C)

 

Na rys. 4 pokazano sposób równoważenia się sił poosiowych z pomocą łożysk wzdłużnych indywidulanych dla każdego wału z wirnikami. Wał napędowy także może mieć wzdłużne łożysko oporowe (nie jest ono zaznaczone na schemacie). Tak więc w tej sytuacji siły poosiowe generowane przez jeden lub dwa wirniki utwierdzone do pojedynczego wału satelitarnego są równoważone przez łożysko wzdłużne tego wału.

 W SzZP wszystkie łożyska, zarówno te nośne, jak i oporowe, są typu ślizgowego.

 

Pobudzenia w SzZP

Kluczowym podzespołem SzZP jest jej przekładnia. Koła zębate są zazwyczaj produkowane przez specjalizowanego poddostawcę i dostarczane jako podzespoły do producenta sprężarki. Postacie drgań własnych, charakterystyki drgań oraz hałasu generowanych przez przekładnię powinny podlegać wnikliwej analizie. Podczas jej prowadzenia należy brać pod uwagę dwa rodzaje pobudzeń dynamicznych.

 

Rys.4. Poosiowe pozycjonowanie wirników z pomocą łożysk oporowych wałów z wirnikami (A) oraz równoważenie się sił poosiowych w wale napędzanym SzZP (B)

 

Pierwszymi są pobudzenia dynamiczne zazębienia, które mają charakter parametryczny. Są one unikalne dla współpracującej pary zębatej i wynikają z okresowej powtarzalności wejścia w kontakt określonej pary zębów. Okresowość jest uzależniona od liczb zębów w poszczególnych kołach zębatych, sił między zębnych oraz błędu w zazębieniu wynikającego ze sprężystej deformacji zębów, specyficznego błędu profilu zęba wygenerowanego w czasie produkcji kół zębatych oraz nieosiowości wałów. Częstotliwości oddziaływań dynamicznych są zatem bezpośrednio uzależnione od okresowości kontaktu międzyzębnego dla tej samej pary zębów i z tego względu są widoczne jako harmoniki częstotliwości zazębienia głównie w analizach widmowych wykonywanych dla sygnałów naprężeń, drgań itd.

Pobudzenia dynamiczne drugiego typu we współpracującej parze zębatej są powodowane przez zbiór zewnętrznych obciążeń wałów. Typowo występują one w paśmie częstotliwości zdecydowanie niższym niż to, w którym obserwuje się składowe drgań odpowiadające częstotliwości zazębienia oraz jej harmoniki. Pobudzenia te są generowane przez:

  • niewyważenie poszczególnych wirników,
  • geometryczną ekscentryczność wałów,
  • oddziaływania dynamiczne ze strony medium przepływającego przez poszczególne stopnie sprężarki,
  • drgania generowane przez napęd i przenoszące się na sprężarkę,
  • fluktuacje momentu obrotowego w czasie pracy sprężarki pod obciążeniem. 

 

Czujniki wykorzystywane do nadzoru ST SzZP

Przystępując do omówienia problematyki nadzoru ST SzZP, dobrze jest zacząć od dokonania przeglądu tych standardów, które są dedykowane takim sprężarkom i formułują wytyczne dla nadzoru stanu. W pierwszej kolejności (kierując się historią pojawienia się standardów dedykowanych tym maszynom) należy tu wymienić standardy API: API STD 672, Packaged, Integrally Geared Centrifugal Air Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services [3], API STD 617 Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services [4] i API STD 670, Machinery Protection Systems [5].

Standardy te wymieniają następujące typy pomiarów, które powinny być wykorzystywane do nadzoru ST SzZP:

  • zróżnicowane pomiary drgań mechanicznych:
    • pomiary promieniowych drgań względnych wirnika,
    • pomiary drgań sejsmicznych korpusu sprężarki w węzłach łożyskowych realizowane w dziedzinie przyspieszeń drgań,
    • pomiary osiowych drgań względnych wirnika,
    • warunkowo: drgania skrętne systemu wirników,
  • położenie osiowe wirników (nadzór łożysk oporowych),
  • pomiar pomocniczy dla analiz drgań: znacznik fazy (tzw. Keyphasor®),
  • pomiary temperatury łożysk oraz oleju.

Wymienione pomiary dotyczą bezpośrednio SzZP. Natomiast kompletny system nadzoru powinien również uwzględniać pomiary wykorzystywane dla oceny ST napędu sprężarki. Napędem mogą być: silniki synchroniczne, silniki asynchroniczne ze stałą lub ze sterowaną prędkością obrotową wirnika czy w końcu także turbiny parowe. Napęd najczęściej podłączony jest bezpośrednio do wału napędowego SzZP, choć czasami zdarzają się też agregaty, w których między jednostką napędową a sprężarką znajduje się jeszcze dodatkowa przekładnia.

W przypadku każdego typu napędu dobrze jest się zastanowić, jakiego typu czujniki powinny być zastosowane do jego nadzoru. Dla każdego z nich bazowa informacja o ST jest pozyskiwana z pomocą pomiarów różnych rodzajów drgań oraz temperatury łożysk. Indywidualnie mogą być zaś rozpatrywane także inne formy nadzoru, jak np. dla turbin parowych pomiar ekscentryczności wirnika oraz wydłużeń korpusu, dla silników asynchronicznych ocena ST izolacji stojana [6]. Stosowany może być ponadto sprzętowy system monitorowania anomalii [7], który umożliwia monitorowanie ST silnika oraz sprzęgła i dodatkowo napędzanej przez silnik maszyny1, a także poprawności jego zasilania.

Jeśli dla monitorowania ST napędu wykorzystywane są czujniki drgań to, niezależnie od rodzaju monitorowanych drgań, należy zadbać tak dalece jak to możliwe o ich standaryzację2. Problem standaryzacji może być rozpatrywany na poziomie producenta czujników wykorzystywanych do nadzoru ST oraz na poziomie wyrobów pochodzących od jednego producenta. Na przykład w przypadku czujników zbliżeniowych może to być standaryzacja dotycząca m.in. typu czujników, rodzaju gwintu czujników, długości elektrycznej kabli, standardu elektrycznego proximitora, sposobu zabudowy czujników na maszynie i na jej napędzie itd. Jeśli w przedsiębiorstwie użytkowanych jest więcej maszyn, dla których stosowane są systemy monitorowania ST, to można pomyśleć o standaryzacji środków technicznych w tym celu wykorzystywanych dla większej grupy maszyn. Producent maszyny nie powinien generować problemów na taką okoliczność, bowiem podstawowy nadzór dostarczanej przez niego maszyny można zrealizować w oparciu o różne produkty, natomiast w przypadku bardziej zaawansowanego systemu nadzoru (tzn. takiego, który oprócz funkcji zabezpieczeń uwzględnia również funkcjonalność diagnostyczną) wymagane jest stosowanie rozwiązań kompatybilnych ze standardem systemu diagnostyki wykorzystywanym w przedsiębiorstwie i standard ten może rzutować na typ preferowanego systemu monitorowania i zabezpieczeń.

Dla pomiarów drgań względnych oraz dla nadzoru położenia (i drgań) osiowych wykorzystywane są czujniki zbliżeniowe (pracujące na bazie prądów wirowych)...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy