Projekat ministarstva nauke: TR-18022 Razvoj i primena integralnih matematičko-eksperimentalnih metoda modalne analize i strukturne modifikacije u optimizaciji dinamičkog ponašanja sistema slobodnih i međusobno povezanih rotirajućih lopatica
Učesnici na projektu: Lola institut u Beogradu, Mašinski fakultet u Beogradu,
Korisnici projekta: TE „Nikola Tesla” - Obrenovac, JKP „Beogradske elektrane”,
Rukovodilac projekta: Prof. dr Miroslav Benišek, dipl. inž. maš.
Sadržaj projekta
Institut IAMA koji je bio preteča Lola Instituta je u svojoj programskoj orjentaciji imao više značajnih programa koji su se u velikoj meri uklapali u strateške prioritete tadašnje privrede, od kojih je program DIMAX, orjentisan statičkim i dinamičkim ispitivanjima bio vezan za sam početak rada Instituta. Ovaj program je u svom izvornom obliku i neprekinutom kontinuitetu od 45 godina ostao do danas, naravno transformisan u skladu sa vrtoglavim svetskim razvojem tehnike i tehnologije. Više od četrdeset godina jednog istraživačkog programa predstavlja dovoljno dug vremenski period u odnosu na koga se mogu objektivno sagledati njegovi izlazi po kvalitetu i kvantitetu i može se reći da je sličnih primera ostalo veoma malo, koji se po kvantitetu ostvarenog znanja i pratećom logističkom podrškom mogu meriti sa zemljama razvijenog sveta.
Sredinom osamdesetih godina metode dinamičke identifikacije osvojene i verifikovane u oblasti proizvodnog mašinstva, a na liniji direktnog povezivanja sa privredom, direktno su uz odgovarajuće modifikacije prenete u druge oblasti mašinstva, a naročito u područje Elektroprivrede koja po značaju i vrednostima kapitalnih objekata predstavlja jednu od strateških privrednih grana. U proteklih 30 godina za potrebe Elektroprivrede je realizovano preko 150 velikih projekata sa vrlo kompleksnim programima dinamičkog ispitivanja hidro/termoagregata i prateće opreme.Realizovani projekti obuhvataju širok spektar programskih aktivnosti koji se mogu grupisati u nekoliko celina: dijagnostička ispitivanja u oblasti održavanja, komisiona ispitivanja nove opreme, revitalizacija postojećih agregata i specijalna ispitivanja.
Dinamika rotirajućih struktura, kako sa teorijskog tako i sa praktičnog aspekta, predstavlja jedan od najkompleksnijih tehničkih problema koji je praktično prisutan u svim oblastima mašinstva i postaje dramatično aktuelan sa trendom stalnog povećanja kapaciteta, a koji ide u pravcu povećanja gabaritnih dimenzija i brzohodnosti savremenih postrojenja. Opasne havarije je moguće izbeći samo potpunim poznavanjem kompletnih dinamičkih performansi svih vitalnih delova konstrukcije, a naročito rotirajućih sklopova obzirom na potencijalne opasnosti koje idu sa njima.Posebno opasni problemi se javljaju sa pojavom rezonanse koja svoje izvorno poreklo ima u strukturnim dinamičkim parametrima konstrukcije. Modalna analiza omogućuje eksperimentalnu identifikaciju modalnih parametara koji predstavljaju osnovu za matematičku interpretaciju dinamičkog ponašanja najsloženijih realnih struktura. Najveći broj dosadašnjih istraživanja je bio orjentisan prema nosećim nepokretnim delovima struktura. Strukturna analiza stacionarnih delova može se smatrati klasičnim pristupom, koji je bio vrlo aktuelan u protekloj deceniji i koji je u to vreme bio predmet istraživanja istog ovog programa.Međutim, situacija je daleko kompleksnija u slučaju rotirajućih struktura kao što su vratila turboagregata koji se obrću sa velikom brzinom - 3000 min-1. Modalni parametri ovakvih struktura - sopstvene frekvence, modalna prigušenja i modalni oblici oscilovanja imaju daleko kompleksniju formu u odnosu na parametre koji se odnose na same strukture vratila i kućišta ležajeva budući da u određenom stepenu predstavljaju njihovu kombinaciju. Pojednostavljeno rečeno strukturni dinamički parametri rotirajućih struktura nisu isti u stanju mirovanja i rotirajućeg kretanja i zavise od brzine rotiranja. Identifikacija strukturnih dinamičkih parametara rotacionih struktura u fazi njihovog kretanja je vrlo teško izvodljiva i zato je neophodno poznavati transformacioni mehanizam promene ovih parametara od stanja mirovanja do stanja kretanja. Pored dinamike turboagregata predmet istraživanja je bilo dinamičko ponašanje velikih industrijskih centrifugalnih ventilatora u sastavu kotlovskih postrojenja kapaciteta 116 MW u JKP „Beogradske elektrane“ čiji rad je praćen intezivnim vibracijama u sistemu brzinske regulacije bazirane na ugrađenim frekventnim regulatorima. Projekat je baziran na istraživačko-razvojnim resursima višedecenijskog kontinualnog istraživanja problematike dinamičkih fenomena realnih objekata i okrenut je držanju koraka sa svetskim istraživanjima iz ove oblasti.
Projekat se u prvoj istraživačkoj godini odnosio na istraživanje dinamičkih fenomena koji su za posledicu imali problem povišenih vibracija na jednom delu turboagregata A3 u TE „Nikola Tesla“ Obrenovac. Ovaj problem je bio prisutan i aktuelan dugo godina i u međuvremenu su činjeni vlastiti pokušaji njegove sanacije. Rezultati prethodnih ispitivanja su ukazivali da su vrednosti vibracija jako velike i da je prema relevantnom standardu ISO 7919-2:2001 vibraciono stanje ovog agregata u nedozvoljenim granicama, što znači da bi ga praktično trebalo zaustaviti i izbaciti iz rada, tako da je cilj ovog projekta prvo bio okrenut prema utvrđivanju uzroka povišenih vibracija, a zatim prema sanaciji postojećeg problema. Na osnovu rezultata strukturnog testa zaključeno je da nominalni broj obrta agregata je praktično uklešten sa dva dominanta dinamička moda od kojih se jedan odnosi na strukturu vratila, a drugi na strukturu navedenog ležaja, koji predstavljaju uzročnike povišenih vibracija. Takođe je utvrđeno da turboagregat ima nedovoljnu dinamičku krutost veze između postolja koje nosi kućište ležaja i turbinske ploče. U okviru sanacionog rešenja pojačan je i modifikovan ovaj sistem veze i u toku puštanja agregata u rad izvedeno je detaljno snimanje vibracionog stanja u neopterećenim i opterećenim režimima rada čiji rezultati su potvrdili da je vibraciono stanje agregata prema postojećim standardima dovedeno u normalno eksploatacijsko stanje.
Program istraživanja u drugoj istraživačkoj godini je bio usmeren prema velikim industrijskim centrifugalnim ventilatorima koji snadbevaju vazduhom kotlove kapaciteta 116 MW u JKP „Beogradske elektrane“ i četiri aksijalna ventilatora dimnih gasova u TE „Veliki Crljani“. Vibraciono stanje sva četiri ventilatorska postrojenja pre izvedene modernizacije je bilo normalno, što znači nije bilo znakova prisustva problema koji prate intezivne vibracije. Nakon modernizacije intezivne vibracije u nenormalno velikoj meri su se pojavile na ventilatorskom postrojenju pozicioniranom na levoj strani kotla VK5 i to samo u sistemu rada frekventnog regulatora, tačnije samo u granicama određene vrednosti protoka vazduha u vazdušnom kanalu. Prisutni problem je manifestovan kroz prisustvo velikih vibracija – reda Ao-peak= 400-500 μm na svim delovima vazdušnog kanala i normalno praćenih ogromnom bukom. Zamor materijala je bio posledica ovakvog stanja što je redovno dovodilo do pucanja i otpadanja delova vazdušnog kanala. Rad je bio moguć samo u nizu izvede nih sanacija bez saznanja šta je uzrok prisutnog problema na samo jednom od četiri praktično identična ventilatorska postrojenja. Rezultati izvedenih ispitivanja su pokazali da je nestabilni rad jednog ventilatora primarni uzrok ovakvog vibracionog stanja. Ovaj fenomen je u široj literaturi koja se bavi problematikom rada centrifugalnih i aksijalnih ventilatora, pumpi i kompresora poznat pod nazivom „rotating stall“, a vezan je za pojavu turbulencije vazduha koja se generiše u određenim sekcijama rotirajućeg kola, s tim što se prenosi iz sekcije u sekciju u smeru koji je suprotan smeru obrtanja obrtnog kola. Može istovremeno da se javi u jednoj ili više sekcija obrtnog kola ventilatora i karakterišu ga komponente u frekventnom spektru -0.66, 1.4 i 2 Hz. Okidač za nastanak ove pojave u incijalnoj sekciji ventilatora je nepravilno nastrujavanje vazduha po površini lopatice obrtnog kola u smislu njenog preranog odvajanja, turbulentnog vrtloženja do granice potpunog vraćanja struje nazad. Projektanti iz razloga sigurnosti su jako skloni izboru većih ventilatora nego što je potrebno, a što po pravilu je praćeno određenim problemima u radu ventilatorskih postrojenja.