Ανάπτυξη και εφαρμογή εργαλείου διάγνωσης της σπηλαίωσης σε φυγοκεντρικές αντλίες

Των κ. Γεώργιου Μουσμούλη και Ιωάννη Αναγνωστόπουλου*

Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μηχανές για τη μεταφορά ρευστών σε μεγάλο μέρος της παγκόσμιας βιομηχανικής και παραγωγικής δραστηριότητας είναι οι φυγοκεντρικές αντλίες, γεγονός που καταδεικνύει την ανάγκη για την ομαλή, αποδοτική και αξιόπιστη λειτουργία τους. Ο κυριότερος ρευστομηχανικός μηχανισμός που διαταράσσει τη λειτουργία των φυγοκεντρικών αντλιών είναι η σπηλαίωση, δηλαδή η τοπική ατμοποίηση του υγρού εργαζόμενου μέσου, που μπορεί να συμβεί όταν η στατική πίεση εντός της ροής μειώνεται πολύ και φθάνει στην τιμή της πίεσης ατμοποίησης (σχ. 1α).

Η ανεπιθύμητη πτώση της στατικής πίεσης του ροϊκού πεδίου εμφανίζεται πρώτα στην είσοδο της πτερωτής, όπου δημιουργούνται συνθήκες υποπίεσης, και μπορεί να προκαλείται είτε λόγω σφάλματος στην εγκατάσταση (από αυξημένες υδραυλικές απώλειες στον κλάδο αναρρόφησης, υψηλή στάθμη τοποθέτησης της αντλίας, λανθασμένη επιλογή αντλίας κλπ.) είτε λόγω λειτουργίας της αντλίας σε διαφορετικό σημείο (π.χ. μακριά από το ΚΣΛ, σε υψηλότερη ταχύτητας περιστροφής, σε υψηλότερη θερμοκρασία κλπ.).

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει ο μηχανισμός φθοράς των επιφανειών της αντλίας που ακολουθεί τη σπηλαίωση, ο οποίος ενεργοποιείται όταν οι φυσαλίδες του ατμού επαναϋγροποιούνται σε περιοχές υψηλότερων πιέσεων. Η ενδόρρηξη αυτή των φυσαλίδων συμβαίνει σχεδόν ακαριαία (σε μερικά ms), δημιουργώντας τοπικά κρουστικά κύματα πίεσης πολύ υψηλής έντασης· και όταν αυτές βρίσκονται δίπλα σε στερεές επιφάνειες, δημιουργούνται μικροί τοπικοί στρόβιλοι (jet) που προσπίπτουν στις επιφάνειες προκαλώντας απομάκρυνση υλικού.

Η λειτουργία μιας φυγοκεντρικής αντλίας σε συνθήκες σπηλαίωσης ακόμη και για σύντομο χρονικό διάστημα, εάν το φαινόμενο είναι έντονο, μπορεί να προκαλέσει εκτεταμένες φθορές στα πτερύγια και στην πτερωτή μιας αντλίας (σχ. 1β, γ), μειώνοντας την ενεργειακή της απόδοση. Επιπροσθέτως, η απώλεια μάζας από τις στρεφόμενες επιφάνειες οδηγεί σε σημαντική αύξηση του επιπέδου των κραδασμών, λόγω της προκληθείσας αζυγοσταθμίας, οι οποίοι με τη σειρά τους επιβαρύνουν τις εδράσεις της μηχανής.

Τα παραπάνω, σε συνδυασμό με το μεγάλο αριθμό των παραμέτρων που επηρεάζουν την εμφάνιση του φαινομένου, καθώς και με τη δυσκολία ελέγχου τους σε βιομηχανικής κλίμακας υδραυλικές εγκαταστάσεις, αιτιολογούν το ενδιαφέρον για ανάπτυξη πρακτικών εργαλείων τα οποία θα μπορούν να διαγνώσουν έγκαιρα και αποτελεσματικά την ανάπτυξη και την έκταση της σπηλαίωσης σε φυγοκεντρικές αντλίες.

Παραδοσιακά, η εργαστηριακή διάγνωση της σπηλαίωσης γίνεται μέσω της παρακολούθησης του ολικού ύψους της αντλίας, και βασίζεται στην παρατήρηση ότι η έντονη ανάπτυξη φυσαλίδων ατμού εντός της πτερωτής (π.χ. σχ. 1α) προκαλεί πτώση του ύψους. Ωστόσο, η συγκεκριμένη μέθοδος αδυνατεί να ανιχνεύσει το φαινόμενο στα αρχικά στάδια ανάπτυξής του και, επιπλέον, δεν είναι εφαρμόσιμη κατά τη λειτουργία αντλιών στην πράξη.

Για να επιτευχθεί η έγκαιρη διάγνωση της σπηλαίωσης σε αντλητικές εγκαταστάσεις, η έρευνα επικεντρώνεται στις μετρήσεις θορύβου και ταλαντώσεων. Εδώ, η κυριότερη δυσκολία συνίσταται στο ότι ο συνολικός θόρυβος της εγκατάστασης από τα μηχανικά μέρη της αντλίας και του κινητήρα, αλλά και από την ίδια τη ροή, συνήθως καλύπτει το θόρυβο που δημιουργείται από την κατάρρευση των φυσαλίδων ατμού. Συνεπώς, ερευνητές και μηχανικοί επιδιώκουν τη δημιουργία αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος, οι οποίοι έχουν ως στόχο τον εντοπισμό και το διαχωρισμό των χαρακτηριστικών που εισάγει το φαινόμενο στις μετρούμενες χρονοσειρές, και συγκεκριμένα, διέγερση μεγάλου εύρους συχνοτήτων.

Ωστόσο, η απόλυτη τιμή, το εύρος αλλά και η ένταση των διεγέρσεων είναι συνάρτηση των κατασκευαστικών χαρακτηριστικών της εγκατάστασης, του σημείου λειτουργίας της μηχανής, αλλά και του σημείου που γίνεται η μέτρηση. Επιπλέον, παρόμοια κρουστική συμπεριφορά παρουσιάζουν και άλλες μηχανικές βλάβες, όπως π.χ. οι φθορές στα έδρανα κύλισης. Επομένως, είναι δύσκολη η διατύπωση και εφαρμογή ενός γενικού και αποτελεσματικού κριτηρίου διάγνωσης της σπηλαίωσης, όταν αυτό βασίζεται σε συμπτώματα της μηχανής.

Στο Εργαστήριο Υδροδυναμικών Μηχανών (ΕΥΜ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου γίνεται τα τελευταία χρόνια προσπάθεια να αναπτυχθούν εργαλεία διάγνωσης της σπηλαίωσης, τα οποία θα εντοπίζουν στις μετρούμενες χρονοσειρές τα χαρακτηριστικά του ίδιου του ροϊκού μηχανισμού (επαναϋγροποίηση φυσαλίδων).

Τα εργαλεία αυτά περιλαμβάνουν ειδικούς αλγορίθμους επεξεργασίας σήματος και αποσκοπούν στο να έχουν πρακτική και άμεση εφαρμογή στις διάφορες βιομηχανικές διατάξεις. Επομένως, σε αυτή την κατεύθυνση, στο ΕΥΜ δοκιμάζονται φυγοκεντρικές αντλίες με ταυτόχρονες μετρήσεις θορύβου και κραδασμού σε διάφορα σημεία του εξωτερικού τους κελύφους. Παράλληλα οι μηχανές είναι ειδικά κατασκευασμένες έτσι ώστε να επαληθεύεται οπτικά η εμφάνιση της σπηλαίωσης.

Σε πρώτο στάδιο, από τη στατιστική επεξεργασία των δυναμικών μετρήσεων, παρατηρούνται σημαντικές διαφοροποιήσεις από τη στιγμή που αρχίζει και αναπτύσσεται η σπηλαίωση εντός της μηχανής. Πιο συγκεκριμένα, ο έλεγχος προσαρμογής της κατανομής συχνότητας των μετρήσεων στην κανονική κατανομή οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η εμφάνιση του κρουστικού φαινομένου αλλοιώνει τα χαρακτηριστικά της κατανομής, στα ακραία όρια των τιμών της.

Η ταυτόχρονη ανάλυση των δυναμικών χαρακτηριστικών των στατιστικών ροπών αναδεικνύει την άμεση συσχέτιση της παραπάνω αλλοίωσης με την τέταρτη στατιστική ροπή (κύρτωση). Στο σχ. 2α παρουσιάζεται η αλλαγή στην τιμή της κύρτωσης (>3) όταν μια αντλία λειτουργεί με σπηλαίωση (κόκκινο χρώμα), σε σχέση με τη λειτουργία της σε μονοφασικές συνθήκες ροής (μαύρο χρώμα), όπου η κύρτωση λαμβάνει την τιμή που χαρακτηρίζει μεταβλητές που ακολουθούν την κανονική κατανομή (=3).

Από τη μελέτη της βιβλιογραφίας προκύπτει πως και σε άλλες περιπτώσεις (μετρήσεις ήχου στο θαλάσσιο περιβάλλον, φθορές σε έδρανα κύλισης) παρατηρείται παρόμοια διαφοροποίηση στην τιμή της κύρτωσης δυναμικών μετρήσεων με ταυτόχρονη διέγερση πολλών τυχαίων συχνοτήτων στο φάσμα. Για το λόγο αυτό, τα τελευταία χρόνια έχουν διατυπωθεί διάφορες προσεγγίσεις, που στόχο έχουν την απομόνωση από το μετρούμενο σήμα εκείνων των χαρακτηριστικών που επηρεάζουν την τιμή της κύρτωσης.

Μία τέτοια προσέγγιση, η οποία χρησιμοποιείται και στη διάγνωση μηχανικών βλαβών με κρουστική συμπεριφορά, είναι η φασματική κύρτωση (ΦΚ). Στο ΕΥΜ αναπτύσσεται λογισμικό που προσθέτει τον υπολογισμό της φασματικής κύρτωσης στη στατιστική ανάλυση και στη μελέτη του πεδίου συχνοτήτων που προηγήθηκε.

Σε αυτό το σημείο, ο στόχος είναι να γίνει ο υπολογισμός της φασματικής κύρτωσης σε διάφορα εύρη του πεδίου συχνοτήτων και, τελικά, να βρεθεί το εύρος και η κεντρική συχνότητα στο φάσμα, όπου μεγιστοποιείται η τιμή της. Τα δύο τελευταία συνθέτουν το φίλτρο εύρους ζώνης (band pass filter) που εφαρμόζεται στο μετρούμενο σήμα, ώστε να απομονώσει την πηγή που προκαλεί την αύξηση της κύρτωσης. Στο σχ. 2β παρουσιάζεται το αποτέλεσμα ενός τέτοιου υπολογισμού, τονίζοντας το σημείο μεγιστοποίησης της φασματικής κύρτωσης .

Τα αποτελέσματα της έρευνας στο ΕΥΜ αποδεικνύουν ότι η χρήση ενός τέτοιου φίλτρου επιτρέπει την ανάδειξη των κρουστικών παλμών που προκαλούνται από τη σπηλαίωση (σχ. 3α), οι οποίοι ήταν αδύνατο να παρατηρηθούν στις μη επεξεργασμένες χρονοσειρές (σχ. 3β). Μάλιστα, οι παλμοί δεν παρουσιάζουν τυχαία συχνότητα εμφάνισης, αλλά μοιάζουν να διαμορφώνονται από την εντονότερη υδροδυναμική συχνότητα εντός της μηχανής, δηλαδή τη συχνότητας αλληλεπίδρασης πτερωτής – κελύφους (blade passing frequency). Η ανάδειξη αυτής της περιοδικότητας στο παρόν λογισμικό επιτυγχάνεται με τη χρήση του μετασχηματισμού Hilbert και με την παρατήρηση του πεδίου συχνοτήτων της περιβάλλουσας του φιλτραρισμένου σήματος.

Η προτεινόμενη προσέγγιση αναδεικνύει τη συσχέτιση μεταξύ της κρουστικής συμπεριφοράς του επεξεργασμένου σήματος και της διαμόρφωσής του από τη συχνότητα περάσματος των πτερυγίων, με τον φυσικό μηχανισμό ενδόρρηξης των φυσαλίδων ατμού, που λαμβάνει χώρα εντός της στρεφόμενης πτερωτής. Δημιουργείται έτσι ένα γενικό και αξιόπιστο εργαλείο διάγνωσης της ανάπτυξης σπηλαίωσης σε υδροδυναμικές μηχανές.

Γα την πρακτική αξιοποίηση της νέας αυτής διαγνωστικής μεθόδου, κατασκευάστηκε ένα φορητό σύστημα (toοl kit, σχ. 3γ), που περιλαμβάνει έναν φορητό Η/Υ με το εγκατεστημένο λογισμικό, αισθητήρες κραδασμών και θορύβου και κάρτες μετατροπής του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, το οποίο επιτρέπει τη διεξαγωγή επιτόπιων ελέγχων σε φυγοκεντρικές αντλίες που λειτουργούν σε υδραυλικές εγκαταστάσεις και αντλιοστάσια.

*Ο κ. Γεώργιος Μουσμούλης είναι δρ. μηχανολόγος μηχανικός του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, και ο κ. Ιωάννης Αναγνωστόπουλος καθηγητής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και διευθυντής του Εργαστηρίου Υδροδυναμικών Μηχανών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΥΜ-ΕΜΠ).

 

Σχήμα 1

α) Ανάπτυξη φυσαλίδων ατμού σε ημιανοιχτού τύπου πτερωτή κατά την πτώση του ολικού ύψους.

β) Τυπική φθορά λόγω σπηλαίωσης σε ρότορα υδροδυναμικής μηχανής.

γ) Φθορά σε επιφάνεια πτερυγίου λόγω σπηλαίωσης.

 

 

Σχήμα 2

α) Δυναμική τιμή της κύρτωσης για λειτουργία με και χωρίς σπηλαίωση.

β) Υπολογισμός του εύρους και της κεντρικής συχνότητας του φίλτρου εύρους ζώνης.

 

Σχήμα 3

Σήμα μηχανικής ταλάντωσης μετά  (α) και πριν (β) την εφαρμογή του φίλτρου εύρους ζώνης, και έλεγχος της λειτουργίας αντλίας με το νέο φορητό σύστημα (γ).

 

 

Ελέγξτε επίσης

ΟΒΥΕ: Ενημέρωση για τη θεώρηση αδειών εξασκήσεως επαγγέλματος

Με επιστολή της προς τις διοικήσεις των συνδέσμων υδραυλικών όλης της χώρας,  στις 2 Ιουλίου, …

Τα Περιοδικά μας