Väitös

Akustinen emissio on lupaava menetelmä virtauskoneiden kavitaatioeroosion käytönaikaiseen monitorointiin

Markku Ylönen
Kavitaatioeroosio on merkittävä tekijä virtauskoneiden, kuten vesivoimaturbiinien, kulumisessa ja vikaantumisessa. Sen esiintymistä ja voimakkuutta on haastavaa arvioida käytönaikaisesti. Akustista emissiota voidaan käyttää monitorointiin ilman kosketusta virtaukseen, jos sen tuottamaa dataa tulkitaan oikein.

Kavitaatio on ilmiö, jossa joko paikallaan olevaan tai liikkuvaan nesteeseen muodostuu höyrykuplia staattisen paineen pudotessa. Nämä höyrykuplat romahtavat paineen palautuessa, jolloin ne voivat vahingoittaa läheisiä pintoja. Tämä ilmiö voi aiheuttaa vakavia vaurioita sekä häiriötä virtauskoneissa. Moderneja vesivoimaturbiineja käytetään usein sähköverkon tasapainottamiseen, jolloin niitä saatetaan käyttää suunnitellun optimialueen ulkopuolella. Taloudellinen optimi ei aina ole sama kuin virtauksen suhteen optimaalinen ajotilanne.

Kavitaation ja sen aiheuttamien vaurioiden tarkastelu käytön aikana on vaikeaa tai jopa mahdotonta. Akustisen emission (AE) mittaukset mahdollistavat kavitaation havainnoinnin ilman suoraa yhteyttä virtaukseen, mutta näiden mittausten datan tulkitseminen on haastavaa. Markku Ylönen esittelee väitöskirjassaan tapoja tulkita AE-dataa sekä yksittäisten kavitaatiokuplien romahdusten, että kavitaatioeroosion etenemisen tarkkailun tasoilla. Lisäksi hän vertaili kolmen turbiinimateriaalin eroosionopeuksia. Kahden martensiittisen turbiiniteräksen osalta hän tarkasteli syitä eroavien eroosionopeuksien takana. Kaikki kavitaatiokokeet suoritettiin samassa kavitaatiotunnelissa.

Ensimmäisenä esitellään menetelmä AE-signaalin verhokäyrän käytöstä AE-signaalin maksimiamplitudien laskentaan. Näistä laskettiin kumulatiiviset jakaumat, joita verrattiin kavitaatiokuoppien halkaisijoiden vastaaviin jakaumiin. Tästä luotiin yhteys AE-signaalin maksimiamplitudien ja kuoppien halkaisijoiden välille. Toinen päätulos oli yhteys kavitaatiopilven romahdustaajuuden sekä eroosion etenemisen välille. Korkeataajuinen AE-signaali demoduloitiin matalan taajuuden romahtamisilmiön havaitsemiseksi. Romahtamistaajuus kasvaa materiaalihäviön kumuloituessa. Tästä pääteltiin, että taajuuden kasvu johtuu virtausgeometrian, muutoksista. Martensiittisten terästen eroosionopeuksien erolle löydettiin syiksi paketti- ja blokkikoot sekä jäännösausteniitin määrä.

Ylösen tutkimuksessa syntyi suoraan hyödynnettäviä tuloksia, kuten martensiittisten terästen luokittelu kavitaatiokestävyyden suhteen, sekä menetelmiä, jotka vaativat jatkokehittämistä, mikäli niitä halutaan käyttää virtauskoneiden monitorointiin pelkän laboratoriotestaamisen lisäksi.

– AE on erittäin lupaava keino kavitaation mittaamiseen. Huomattavin etu AE:lla on siinä, että sen käyttö ei vaadi suoraa yhteyttä, eikä minkäänlaista vuorovaikutusta virtaukseen, Markku Ylönen kertoo.

Diplomi-insinööri Markku Ylösen sovelletun mekaniikan alaan kuuluva väitöskirja Cavitation Erosion Monitoring by Acoustic Emission tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 17.1.2020 kello 12 Festian Pieni Sali 1:ssä (Korkeakoulunkatu 8, Tampere). Vastaväittäjänä toimii professori Romuald Skoda, Ruhr-Universität Bochumista. Kustoksena toimii professori Kari Koskinen, Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1421-7

Kuva: Tommi Eronen