Fallstudie:
Maple verbessert Ultraschallprüfung von Turbinenschaufeln und reduziert so drastisch die Ausfallzeiten von Dampfturbinen

Rotek, der Wartungszweig des staatlichen südafrikanischen Elektrizitätsunternehmens Eskom, setzt Maple, die Software für technische Berechnungen von Maplesoft, dazu ein, vor der eigentlichen Inspektion von Turbinenschaufeln in Kraftwerken ein umfassendes Modell zu entwickeln. Bei Kraftwerken sind kurze Ausfallzeiten besonders wichtig. Maple erlaubt eine schnellere Durchführung der Inspektionen mit einer Genauigkeit, die man bislang nicht für möglich gehalten hätte.

Dampfturbinen setzen die thermische Energie aus hochgespanntem Dampf in eine Drehbewegung um, mit der der Generator zur Stromerzeugung angetrieben wird. Eine Dampfturbine hat drei Stufen: Hochdruck, Mitteldruck und Niederdruck. Im Betrieb gehören die Turbinenschaufeln im Niederdruckbereich zu den am stärksten beanspruchten Komponenten der Maschine. Ein besonders kritisches und eines der empfindlichsten Elemente der Schaufel ist die Blattwurzel in der letzten Stufe. Das ist der Teil der Schaufel, mit dem sie am Rotor befestigt ist. Die Schaufeln sind im Betrieb, besonders während des Hochfahrens und des Abschaltens der Maschine, enormen Zentrifugalkräften ausgesetzt, und die ständige Beanspruchung kann zu Schäden an der Schaufel führen. Die häufigste Form ist ein beginnender Riss in der Wurzel, der sich in der Schaufel weiter ausbreiten kann. Daher müssen die Schaufeln und besonders die Wurzeln regelmäßig überprüft und gewartet werden.

Die Turbinenschaufeln müssen 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 kommen die verschiedenen Oberflächen von Rotor und Schaufeln, an denen die Werkzeuge zur Inspektion angesetzt werden müssen. Daher müssen die Inspektionen sorgfältig geplant werden, um unnötige Ausfallzeiten zu vermeiden.

Die Untersuchung der Turbinenschaufeln erfolgt mit Hilfe von Ultraschall. Um den Zeitbedarf für die Inspektion so gering wie möglich zu halten und ein optimales Ergebnis zu erreichen, musste Rotek 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. Mit Hilfe von Maple konnte Rotek den analytischen Prozess mit den folgenden Komponenten simulieren: Abtasten der Oberflächen, Kurven für die Erkennung von Schäden und optimale Aufnahmebedingungen. Diese Ergebnisse konnten anschließend in die Software zur zerstörungsfreien Prüfung CIVA eingegeben werden, 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.

„Mit Maple konnten wir vor den eigentlichen Inspektionen ein präzises Modell der Inspektionsparameter erstellen“, 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, z.B. die Form der beschädigten Bereiche, die Form der untersuchten Oberflächen und die 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 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 konnte das gesamte Inspektionspaket vor der Umsetzung entwickelt und beurteilt werden. Das Modell lieferte bei der späteren Durchführung der Ultraschallprüfungen eine hohe Effizienz, Zuverlässigkeit und eine optimale Abtastung. Mit den Worten von Herrn Puybouffat: „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 konnte von 7 Tagen auf 2 Tage verringert werden.

Kontaktieren Sie Maplesoft, um zu erfahren, wie Maple bei Ihren Projekten angewandt werden kann.