Tecnologías para Maquinaria Rotacional
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álabe en
preparación para una auditoría. |
Métodos de Diagnóstico para Detectar y Evitar Daños por Fatiga de Alto Ciclado
La fatiga de alto ciclado (HCF) se evita
en los álabes rotatorios, controlando las tensiones
vibratorias. Los álabes largos están diseñados mediante la
afinación de las frecuencias naturales bajas, para evitar
operar cerca de las excitaciones fuertes y de las altas
tensiones vibratorias.
Cuando la variación de frecuencias naturales es mayor que
una banda aceptable, los álabes deben diseñarse con
suficiente rigidez para limitar las tensiones donde los
álabes operan con resonancia. Cuando estas condiciones no se
cumplen, o si hay excitaciones excesivas, pueden ocurrir
fallas de HCF debido a:
La variabilidad de la fabricación de álabes
puede influir las frecuencias naturales en el ensamble; el desgaste
y la erosión pueden reducir los márgenes de frecuencia de resonancia
con el tiempo. Cualquiera de estas condiciones puede resultar en
daños por fatiga de alto ciclado.
Enfoques a la Auditoría de Álabes
Existen varios enfoques para la auditoría de álabes,
empleados por el Southwest Research Institute (SwRI) que pueden proporcionar
información sobre los márgenes de frecuencia y los niveles de estrés para los
álabes de las turbinas que hayan experimentado fallas HCF. Dado que estos
métodos se basan en la realización de pruebas de los álabes reales en servicio,
se relacionan con la instalación en cuestión y con la mezcla de variables
asociada con la fabricación, ensamble, desgaste y demás.
Los métodos de
auditoría de vibración de álabes empleados por SwRI incluyen
lo siguientes:
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La Auditoría de Frecuencia de
álabes proporciona datos experimentales con
excitación en fuentes integrales. El método requiere de la
realización de pruebas de impulso en los álabes instalados
en las ranuras de la turbina o en un conjunto de álabes
montados en un aditamento en la parte superior del banco.
Los márgenes de frecuencia en condiciones de operación se
deducen ajustando las frecuencias medidas por los efectos de
la temperatura y las fuerzas centrífugas. Los datos se
imprimen en un diagrama de Campbell para ilustrar los
márgenes de frecuencias de las fuentes integrales.
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El Análisis
Modal de álabes proporciona un medio para definir
el movimiento vibratorio para cada frecuencia natural de
álabe. Esta ilustración es útil para el rediseño de los
conjuntos de álabes, a fin de evitar resonancias. Por
ejemplo, los anillos de refuerzo y flejes son elementos que
pueden fácilmente ajustarse para los conjuntos de álabes
agrupados, afectando sus frecuencias naturales. El análisis
modal requiere del registro de que un número de puntos de
vibración para cada prueba, a fin de definir claramente los
detalles del movimiento. La masa requerida y los cambios en
la rigidez para conseguir frecuencias naturales de afinación
pueden estimarse con una precisión aceptable.
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Haga
clic en la gráfica para agrandar la imagen.
Los diagramas de
Campbell muestran los márgenes de frecuencia para las
excitaciones básicas de escalera y distorsión de flujos.
Las frecuencias ascendentes son causadas por la
rigidización centrífuga; las frecuencias descendentes
son causadas por elevaciones en la temperatura. |
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El estrés vibratorio del álabe
rotatorio en combinaciones de álabes permite el paso de
la excitación y la distorsión del flujo. Límite de
resistencia basándose en la tensión de estado rotativo
estable. |
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La Excitación de los álabes
Rotatorios es provocada por el paso a través
de las ondas estacionarias y las distorsiones de flujo.
La suma de la velocidad axial modulante con la velocidad
tangencial constante del vector resulta en una velocidad
de modulación relativa al álabe. La modulación de
velocidad relativa se usa para calcular la pulsación de
elevación (modulación de la presión).
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La Auditoría de Estrés
Vibratorio proporciona datos experimentales
para estimar las tensiones de operación del álabe. Un
análisis de estrés “en resonancia” se aplica a modos de
alta frecuencia o para evaluar las condiciones
transitorias de resonancias de menor frecuencia. Los
datos de la función de transferencia de los álabes se
registran por la prueba de impulso mediante calibradores
montados en las ubicaciones de sospecha de falla. Los
estreses operativos se calculan a partir de la función
medida de la deformación/fuerza, con base en una carga
estable de gas y un factor dinámico, márgenes de
frecuencia y amortiguamiento. Los estreses calculados se
comparan con los límites de resistencia del material del
álabe para determinar las perspectivas de daño de HCF. -
El Análisis Probabilístico
evalúa el riesgo de falla de cualquier álabe en un grupo,
con base en información estadística. La falla podría
asociarse con la probabilidad de que un álabe opere con
menor frecuencia que el margen de frecuencia correcto o
la probabilidad de que el estrés vibratorio exceda el
límite de resistencia para el mismo periodo de tiempo.
Una medición precisa de la probabilidad de falla o
riesgo, multiplicada por la consecuencia de la falla,
resulta de gran utilidad para las evaluaciones
financieras del mantenimiento y las opciones de
reparación.
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Haga clic en la gráfica
para agrandar la imagen.
La excitación de los álabes
rotatorios es provocada por el paso a través de las
ondas estacionarias y las distorsiones de flujo. La suma
de la velocidad axial modulante con la velocidad
tangencial constante del vector resulta en una velocidad
de modulación relativa al álabe. La modulación de
velocidad relativa se usa para calcular la pulsación de
elevación (modulación de la presión). |
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Haga
clic en la gráfica para agrandar la imagen.
Respuesta típica de vibración de un
álabe de multi-orden con sistema telemétrico. |
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El Monitoreo No Intrusivo es
una técnica desarrollada por SwRI para detectar cambios en los
márgenes de frecuencia natural del álabe que contribuyen a altas
tensiones vibratorias. El método requiere de acelerómetros
sensibles, de alta frecuencia, montados en chumaceras calibradas
para percibir las fuentes de vibración del álabe. Los datos se
registran continuamente, se filtran, promedian y analizan para
obtener múltiples sincronías de la velocidad de operación. Las
tendencias de fase y amplitud se monitorean y diagnostican para
identificar el amortiguamiento y la resonancia, usando
algoritmos de ajuste modal. El método detectará los cambios en
la frecuencia de resonancia de todos los álabes o grupos de
álabes en una etapa. Múltiples filas de álabes pueden
monitorearse si sus frecuencias naturales se separan en al menos
un orden de rotación. -
Pruebas de Telemetría o Sistemas de
Anillo Deslizante pueden ser proporcionados por SwRI
cuando se requiere de respuestas resonantes de álabes en
condiciones de rotación, para asegurar que se incluyan todas las
interacciones de álabe-a-álabe y los efectos de rigidez CF. Los
medidores de deformación se fija en ubicaciones de estrés
crítico, dirigiendo los cables a lo largo del álabe y el rotor
hacia un transmisor de rotación, y las señales se reciben a
través de una antena fija hasta un equipo de registro
estacionario.
Aplicaciones
Todos los álabes rotatorios, cubos, impulsores;
todas las paletas fijas, boquillas y amortiguadores de barra oblicua
que se usan en las turbinas de gas, turbinas de vapor, compresores,
ventiladores, extensores y equipo similar de rotación.
Tecnología de Soporte
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Nuestro
laboratorio
metalúrgico completo con capacidad de identificar mecanismos
de fractura, confirma les especificaciones del material y evalúa
las contribuciones al ambiente.
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Técnico de SwRI instalando medidores
de deformación en una turbina LP, como preparación para
una prueba telemetría de deformación de rotación. |
Servicios de monitoreo y diagnóstico en
campo para registrar y evaluar la vibración, pulsación,
deformación y desempeño de la maquinaria en las ubicaciones de
los sitios.
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Capacidad para realiza Análisis dinámicos
y térmicos que permiten evaluar la dinámica de fluidos y
estructura de discos, superficies de sustentación, aditamentos y
similares.
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Análisis de
fractura mecánica y predicción de vida útil.
SwRI puede ofrecerle una amplia gama de
capacidades y experiencia en tecnología de turbinas de gas,
incluyendo el convertirse en una extensión de su departamento de
ingeniería. Para mayor información sobre nuestra capacidad para
llevar a cabo auditorías tecnológicas de vibración de álabes y
tecnología de turbinas de gas, o la manera en que puede contactar a
SwRI, favor de comunicarse con el
Klaus Brun, Ph.D.,
en la siguiente dirección
kbrun@swri.org
o al teléfono +1 210 522-5449.
turbinasdegas.swri.org
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Información de
Contacto |
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Klaus Brun, Ph.D.
Tecnología de Auditoría de Vibración de álabes
+1 210 522-5449
kbrun@swri.org
turbinasdegas.swri.org |
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Terminología Relacionada |
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elemento rodante
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análisis de
transferencia de calor
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alto ciclado
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vibración inducida por
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