Die Schaufeln einer Turbine sind besonders während des Hochfahrens und des Abschaltens enormen Zentrifugalkräften ausgesetzt. - (Bild: Rotek)
Die Schaufeln einer Turbine sind besonders während des Hochfahrens und des Abschaltens enormen Zentrifugalkräften ausgesetzt. – Bild: Rotek
Dampfturbinen setzen die thermische Energie aus hochgespanntem Dampf in eine Drehbewegung um, mit der der Generator zur Stromerzeugung angetrieben wird. Eine solche Dampfturbine hat drei Stufen: Hochdruck, Mitteldruck und Niederdruck. Im Betrieb gehören die Turbinenschaufeln im Niederdruckbereich zu den am stärksten beanspruchten Komponenten der Maschine.
Die Schaufeln sind im Betrieb, besonders während des Hochfahrens und des Abschaltens der Maschine, enormen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Aber auch die ständige Beanspruchung kann zu Schäden an der Schaufel führen. Ein besonders kritisches und empfindliches Elemente der Schaufel ist die Blattwurzel in der letzten Stufe. Das ist der Teil der Schaufel, mit dem sie am Rotor befestigt ist. Die häufigste Schadensform ist hier ein beginnender Riss, der sich in der Schaufel weiter ausbreiten kann. Daher müssen die Schaufeln und besonders die Wurzeln regelmäßig überprüft werden.
Die Turbinenschaufeln können nur im eingebauten Zustand überprüft werden, da ein Ausbau zur Inspektion zu viel Zeit erfordert. Wegen der Anordnung, der komplexen Form und dem eingeschränkten Zugang ist die Untersuchung der Schaufeln eine sehr schwierige Aufgabe. Hinzu kommt, dass die Werkzeuge zur Inspektion an verschiedenen Oberflächen von Rotor und Schaufeln angesetzt werden müssen. Um unnötige Ausfallzeiten zu vermeiden, ist es notwendig, die Inspektionen sorgfältig zu planen.
Die Untersuchung der Turbinenschaufeln erfolgt mithilfe von Ultraschall. Um den Zeitbedarf für die Inspektion so gering wie möglich zu halten und ein optimales Ergebnis zu erreichen, musste Rotek, der Wartungszweig des staatlichen südafrikanischen Elektrizitätsunternehmens Eskom, ein umfassendes Modell zur Simulation vor der eigentlichen Inspektion erarbeiten. Dieses Modell sollte einen genauen und detaillierten Plan für eine Ultraschallprüfung mit höchster Zuverlässigkeit liefern.
Mithilfe von Maple gelang es Rotek, den analytischen Prozess mit den folgenden Komponenten zu simulieren: Abtasten der Oberflächen, Kurven für die Erkennung von Schäden und optimale Aufnahmebedingungen. Diese Ergebnisse wurden anschließend in die Software zur zerstörungsfreien Prüfung CIVA eingegeben, um die optimalen Geräteeinstellungen zu ermitteln. Auf diese Weise konnte Rotek die Ultraschallprüfung mit höchster Zuverlässigkeit durchführen und die zur Untersuchung erforderliche Ausfallzeit der Turbinen wesentlich verkürzen.
Software mit mathematischen Fähigkeiten
Rotek ist der Wartungszweig des staatlichen Elektrizitätsunternehmens Eskom in Südafrika, setzt Maple ein, um die Ultraschallprüfung von Rotorschaufeln in Kraftwerken zu simulieren und so die Ausfallzeiten der Dampfturbinen zu verkürzen. – Bild: Rotek
“Mit Maple haben wir vor den eigentlichen Inspektionen ein präzises Modell der Inspektionsparameter erstellt”, erklärte hierzu Jean Michel Puybouffat, Leiter des Teams für Inspektionen im laufenden Betrieb bei Rotek. “Dieses Modell hat uns geholfen, die genauen Geräteeinstellungen und kritischsten Punkte für die Prüfung besser zu verstehen und so die normalerweise für die Vorbereitung und Durchführung der eigentlichen Inspektion erforderliche Zeit erheblich zu verkürzen.”
Die Bedingungen bei einer Ultraschallprüfung werden durch verschiedene Faktoren beeinflusst, etwa von der Form der beschädigten Bereiche, der Form der untersuchten Oberflächen und den Aufnahmebedingungen für eine bestmögliche Erkennung. Mit den fortschrittlichen mathematischen Fähigkeiten von Maple können auch besondere Bedingungen bei der Inspektion simuliert werden.
Die Einstellungen für den Ultraschall hängen vor allem von der abzutastenden Oberfläche relativ zur Position des Defekts ab. Wegen der besonderen Komplexität der Wurzel muss unbedingt ein 2D-Phased-Array eingesetzt werden. Im Gegensatz zu konventionellen Arrays erlaubt es ein 2D-Phased-Array, die ausgesendeten und reflektierten Wellen gezielt zu steuern, um so den vermuteten Bereich des Defekts zu erfassen.
In diesem Fall wurde eine Anordnung aus 7 Arrays für die saugseitige (nach außen gekrümmte) Fläche und eine Anordnung von 6 Arrays für die druckseitige (nach innen gekrümmte) Fläche der Schaufel eingesetzt. Maple bestimmte die Parameter für die optimalen Aufnahmepositionen (Refraktion, Schräge, Neigung, Schwenkwinkel und Focal-Law). Das so entwickelte Verfahren ist ein Durchbruch bei der Untersuchung der Schaufelwurzeln in der letzten Stufe. Mit Maple ließ sich das gesamte Inspektionspaket vor der Umsetzung entwickeln und beurteilen.
Das Modell lieferte bei der späteren Durchführung der Ultraschallprüfungen eine hohe Effizienz, Zuverlässigkeit und eine optimale Abtastung. Michael Puybouffat schätzt ein: “Der Einsatz von Maple zur Vorabentwicklung unserer Inspektionsroutinen hat unserem Unternehmen enorm viel Zeit und Kosten erspart.” Das Ergebnis ist eine erhebliche Verkürzung der kostspieligen Ausfallzeiten. Der Zeitbedarf zur Untersuchung eines Rotors mit 88 Schaufeln wurde von sieben Tagen auf zwei Tage verringert. nh
Pressematerial der Maplesoft Deutschland
