Generatör Hava Aralığı İzleme
Hava aralığı nedir? Ne amaçla izlenir? Nasıl ölçülür? Hangi arızaların teşhisine olanak sağlar? Makalemizde detayları bulabilirsiniz.
Hava aralığı nedir?
Generatörlerde, rotor dış çapı ile generatör iç çapı arasındaki mesafe “Hava Aralığı” (Air Gap) olarak adlandırılır. Sargıların bulunduğu stator duvarı ile kutuplar arasında çevresel olarak üniform olan bir hava aralığı mevcuttur.
Niçin ölçülüp izlenmelidir?
Büyük hidroelektrik makinalarda stator ve rotor, çalışma koşullarındaki merkezkaç kuvvetleri, ısıl ve manyetik kuvvetler nedeniyle şekil değişimine yatkındır. Stator ve rotorda oluşabilecek dış merkezlilik (eksantrisite), çembersellikten sapma gibi sorunlar üretim verimini düşüreceği gibi, manyetik kökenli ısınmaların yol açtığı arızalara neden olabilmekte ve rotor kutuplarının stator duvarına çarpması gibi büyük hasarlara sebebiyet verebilecek boyutlara ulaşabilmektedir. Hava aralığının sürekli olarak izlenerek farklı çalışma koşullarında ne şekilde değiştiğinin gözlenmesi, büyük hasarların önüne geçebilmek için makinayı servis harici etmek üzere makina operatörlerine gerekli bilgiyi sağlamakta ve hava aralığındaki anormalliklerin önceden belirlenebilmesi sayesinde durum bazlı erken uyarıcı bakıma imkan tanımaktadır.
Avrupa’daki yeni hidroelektrik santral projelerinde vibrasyon izleme sistemi gibi hava aralığı izleme sistemi de artık zorunlu bir bileşen olarak kurulmaktadır.
Rehabilitasyon projeleri için önemi
30 – 40 yıl gibi uzun bir süre boyunca faaliyette olan bir hidroelektrik ünitede stator deformasyonları kritik seviyelere ulaşmış olabilir ve bu durum ünitenin plansız bir duruş sonucunda bakıma alınması ile birlikte uzun süreli üretim kayıpları ve büyük tamirat masrafları ile sonuçlanabilir. Hava aralığının sürekli olarak izlenmesi, yıllar boyunca gerçekleşen bu deformasyonları anlık olarak gözlemlemeyi sağladığı için zamanında uyarı vererek plansız duruşları önlemeye yardımcı olur.
Hava aralığı ölçümü ile ne tür sorunlar teşhis edilebilir?
Rotor Problemleri
- Kutupların konumlarında değişim
- Rotor çemberinde gevşeklik
- Rotor çemberindeki deformasyon
- Rotor dönme merkezinde kaçıklık
Stator Problemleri
- Betonda genleşmeler (Alkali agrega reaksiyonu)
- Stator ankraj cıvatalarının ısıl genleşmeye izin vermemesi
- Stator çekirdeği ve çerçevesinin ayrışması
Hava aralığı sensörlerinden elde edilen çıktılar vibrasyon izleme sisteminin çıktıları ile birlikte yorumlandığında makinanın dinamik davranışı hakkında bütünsel bir kavrayış elde edilebilir.
Nasıl ölçülür?
Hava aralığı, stator iç duvarına bir veya birden fazla düzleme yerleştirilen çeşitli sayıda kapasitif sensörlerle ölçülmektedir. Her bir rotor kutbu ile sensör arası mesafe devir tetiklemeli ölçümler vasıtası ile takip edilebilmektedir. Bu sayede minimum hava aralığı değeri takip edilerek makina korunabilmektedir. Bunun yanısıra rotor şekli grafiği çıkarılabilmekte, böylece her bir kutbun pozisyon durumu görselleştirilebilmektedir. Çoklu hava aralığı sensörlerinden alınan veriler doğrultusunda stator şekli grafiği de elde edilebilmektedir.
Hava Aralığı Sensörleri
Hava aralığı ölçümü için genellikle “kapasitif” prensiple çalışan temassız tip sensörler kullanılmaktadır. Ölçüm sisteminin üç ana bileşeni mevcuttur: Sensör, preamplifikatör ve sinyal koşullandırıcı.
Sensörlerin generatörde oluşabilecek yüksek sıcaklıklara (140°C civarı) dayanacak nitelikte olmaları gereklidir. Preamplifikatör ve sinyal koşullandırıcı ise elektronik bileşenler içerdikleri için 80°C civarı sıcaklıklara dayanabilmektedirler ve bu nedenle stator dışında yüksek sıcalıktan uzak bölgelere yerleştirilmelidirler. Preamplifikatöre yakın bulunan topraklama kablosu stator üzerinde uygun bir noktaya bağlanmalıdır. Sensörün uygun şekilde topraklanması, ölçümün sağlıklı gerçekleşebilmesi için gereklidir.
Sensör ve koşullandırıcısı genellikle birlikte kalibre edildikleri için sensör değişimi durumlarında kalibrasyon işlemi sahada tekrar yapılmalıdır. Bunun için aralarındaki mesafe hassas olarak ayarlanabilen iki metal plaka kullanılabilir.
Sensör montajı
Hava aralığı sensörleri genellikle stator iç duvarında stator çekirdek laminasyonlarına monte edilir. Üstten bir veya 2 havalandırma deliği boş bırakılarak montaj yapılır, bu sayede sensör yüzeyinin her zaman rotor kutup yüzeyi tarafından tamamen kaplanarak doğru ölçümler alınması sağlanır.
Hava aralığı sensörleri stator duvarına yapıştırılarak monte edilirler. Kabloları soğutma kanalları veya sargı uçlarından dışarı doğru çekilir. Sensörlerin yerleşimi için en uygun durum, en az bir kutbun demonte olmasıdır. Sensörün stator iç duvarına montajı özel yapıştırıcılar ile gerçekleştirilmektedir. Yüksek ısıl ve mekanik dayanıma sahip olan ve aynı zamanda statordaki ısınmalar nedeniyle oluşabilecek küçük genleşmelerde esnek davranabilecek silikon bazlı yapıştırıcılar tercih edilmektedir. Sensör yapıştırıldıktan sonra kablosunun geçiş güzergahı da silikon ile kapatılır.
Sensör sayısı
Statorda çevresel olarak tek veya birden fazla sensör kullanımı seçeneği olabilir. Bunun yanısıra stator yüksekliği fazla ise hem üst hem de alt düzleme sensör yerleştirilmek değerlendirilebilir. Bu hususları biraz açıklayalım:
Çevresel olarak bir adet sensör kullanılarak hava aralığı izlendiğinde, rotor şeklinin zamana göre nasıl değiştiği hassas bir şekilde ölçülebilir. Eğer sensör bir devir tetiklemesi ile ilişkilendirilecek olursa hangi kutbun daha ileride, hangisinin daha geride olduğu belirlenebilir. Ancak tek sensörle izleme, statorun deformasyonu (çembersellikten sapması) veya dış merkezlilik (eş merkezlilikten sapma, eksantrisite) kaynaklı hava aralığı değişimleri hakkında bilgi vermeyecektir. Ayrıca statorun tek bir noktasında ölçülen minimum hava aralığı değeri, çevresel olarak tüm noktalarda oluşabilecek minimum değeri temsil etmeyecektir. Bu sebeple tek sensör uygulaması sadece rotor şekil değişimini algılamak için kullanılabilmektedir.
Ölçüm sisteminin, rotorun statora sensör bulunmayan bir noktadan çarpmasını algılayabilmesi ve stator kaynaklı hava aralığı değişikliklerinin belirlenebilmesi için çevresel olarak yerleştirilmiş belli adet sensöre ihtiyaç duyulmaktadır.
Stator iç çapı ve yüksekliği göz önüne alındığında, önerilen hava aralığı sensör konfigürasyonu aşağıdaki gibi olmaktadır:
Stator üst seviye hava aralığı
- 8 metre çapa kadar 4 adet;
- 8 metre üzeri her 2 metre için +2 adet.
Stator alt seviye hava aralığı
- Rotor yüksekliği 1,5 metreden az ise: 0 veya 1 adet
- Rotor yüksekliği 2,5 metreden az ise: 2 veya 4 adet
- Rotor yüksekliği 2,5 metreden fazla ise: stator üst seviye ile aynı sayıda
İzleme sistemi donanımı
Minimum hava aralığı parametresinin ölçümü basit bir elektroniğe sahip bir izleme sistemi ile gerçekleştirilebilmektedir. Aşağıda belirtilen arıza teşhisine yönelik diğer parametrelerin ölçümü ise titreşim izleme sistemleri gibi yüksek örnekleme hızlarına sahip veri toplama cihazları ve devir tetiklemeli ölçümler gerektirmektedir.
- Anlık hava aralığı: Her bir kutup her bir sensör önünden geçerken ölçülen hava aralığı değerleri.
- Minimum hava aralığı: Bir tur boyunca ölçülen en düşük hava aralığı değeri.
- Maksimum hava aralığı: Bir tur boyunca ölçülen en yüksek hava aralığı değeri.
- Ortalama hava aralığı: Bir tur boyunca her bir kutbun hava aralığı ölçüm değerlerinin ortalaması.
- Minimum hava aralığı kutup numarası: Minimum hava aralığı değerinin tetkik edildiği kutup numarası.
- Maksimum hava aralığı kutup numarası: Maksimum hava aralığı değerinin tetkik edildiği kutup numarası.
- Rotor çemberselliği: Rotorun mükemmel çemberden sapma miktarı.
- Stator çemberselliği: Statorun mükemmel çemberden sapma miktarı (yaklaşık olarak hesaplanabilmektedir).
- Rotor eş merkezlilikten sapması
- Stator eş merkezlilikten sapması
MC-Monitoring Çözümleri
Türkiye temsilcisi olduğumuz MC-Monitoring firması generatörlerde hava aralığının ölçülerek izlenmesine yönelik sensörler, izleme sistemleri ve yazılımları içeren komple çözüm sunmaktadır.
Referanslar
Orhon B. E., Hidroelektrik Santrallarda Generatör Hava Aralığı İzleme Sistemleri, BTKS 2019
Orhon B. E., Hidroelektrik Santrallerde Erken Uyarıcı Bakıma Yönelik Türbin Denetleme ve Gözetleme Sistemleri, Mühendis ve Makina, Cilt 50, Sayı 598. (2009) Makale linki
MC-Monitoring AGT Hava Aralığı Sensörleri teknik dokümanı
MC-Monitoring CMS-500 Plus ORCA yazılımı teknik dokümanı
