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Klaus Brun
Tecnología de Auditoría
   de Vibración
   de Álabes
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TÉRMINOS CLAVE:
tecnología de
maquinarias
falla de álabe
dinámica estructural
HCF
prueba modal
daño por fatiga
esfuerzos vibratorios
fatiga por alto ciclado
vibración de álabes
análisis modal de
álabes
 

Métodos de Diagnóstico para Detectar y Evitar Daños por Fatiga por Alto Ciclado

La fatiga por alto ciclado (HCF, por sus siglas en inglés) se evita en los álabes de turbinas rotatorias mediante el control de los esfuerzos vibratorios. Se diseñan álabes largos, ajustando las frecuencias naturales más bajas para evitar la operación cerca de las excitaciones fuertes y altos esfuerzos vibratorios. Cuando la varianza de la frecuencia natural es más alta que la de una banda aceptable, los álabes deben diseñarse con la suficiente rigidez para limitar los esfuerzos cuando operan en resonancia. Las fallas por HCF pueden ocurrir cuando no se logran tales condiciones o si ocurren excitaciones excesivas en razón del daño de las paletas, rotación en atascamiento, reverberación o fricción de las puntas de los álabes. La variabilidad de la fabricación del álabe puede influenciar las frecuencias naturales en el ensamble; el desgaste y la erosión pueden reducir los márgenes de la frecuencia de la resonancia con el paso del tiempo. Cualquiera de estas condiciones puede causar daño por fatiga por alto ciclado. 

Montaje para prueba de medición de impulso / tensión mediante el martillo de impulso SwRI en el primer plano; el calibrador de tensión está en el álabe sónico en ubicación de grieta.

Hay varios conceptos de auditoría de álabes que se usan en el Southwest Research Institute (SwRI) que pueden proporcionar información sobre márgenes de frecuencia y niveles de esfuerzo en álabes de turbina que han experimentado fallas por HCF. Estos métodos están basados en pruebas en álabes en servicio real, se relacionan con la instalación real y con la mezcla de variables relacionadas con la fabricación, ensamble, desgaste y otros. Los métodos de auditoría de vibración de álabes que se utilizan en el SwRI incluyen los siguientes:

• La Auditoría de Frecuencia proporciona datos experimentales de comparación con excitación en fuentes de orden integral. El método requiere hacer pruebas de impulso en los álabes instalados en las ranuras de la turbina o en un conjunto de álabes montados en un dispositivo de banco. Los márgenes de frecuencias en condiciones de operación se deducen mediante el ajuste de las frecuencias medidas para los efectos de temperatura y fuerza centrífuga. Los datos se trazan en el diagrama de Campbell para ilustrar los márgenes de frecuencia a partir de fuentes de orden integral.

  Seleccione el gráfico para ampliar la imagen El diagrama de Campbell presenta los márgenes de frecuencia de excitaciones de distorsión, fundamentales, escalonadas y de flujo. La causa de las frecuencias elevadas es el endurecimiento centrífugo; las frecuencias descendentes se deben al aumento de temperatura.

• El Análisis Modal proporciona un medio para definir el movimiento vibratorio de la frecuencia natural de cada álabe. Esta ilustración resulta útil para diseñar álabes que eviten resonancias. Por ejemplo, las cubiertas y conjunciones pueden ajustarse inmediatamente en conjuntos de álabes para afectar sus frecuencias naturales. El análisis modal requiere que se registren varios puntos de vibración en cada prueba para definir claramente los detalles del movimiento. Los cambios volumétricos y de rigidez necesarios para ajustar las frecuencias naturales pueden estimarse con una precisión aceptable.

La causa de excitación en álabes rotatorios es el paso por estelas estacionarias y distorsiones de flujo. La suma de los vectores de la velocidad axial modulante con la velocidad tangencial Y resulta en la modulación de velocidad relativa al álabe.  La modulación de la velocidad relativa se usa para calcular la pulsación de elevación (modulación de presión)

Seleccione el gráfico para ampliar la imagen Estimación del esfuerzo vibratorio en álabe rotatorio basada en combinaciones de excitación del paso de la paleta y la distorsión de flujo. El límite de resistencia se basa en un estado estable de esfuerzo rotatorio.

• La Auditoría de Esfuerzo Vibratorio de Álabes proporcionan datos experimentales para la estimación de esfuerzos operativos de álabes. Se aplica un análisis de "en resonancia" en modos de alta frecuencia o para evaluar las condiciones transitorias de resonancias de menor frecuencia. Los datos de transferencia funcional del álabe se registran mediante impulsos de prueba con calibradores de tensión montados en las ubicaciones con sospecha de falla. Los esfuerzos de operación se calculan a partir de la función de tensión / fuerza, con fuerzas dinámicas basadas en cargas estables de gas y factor dinámico, márgenes de frecuencia y amortiguación. Los esfuerzos calculados se comparan contra los límites de duración del material del álabe para determinar el potencial de daños por HCF.

• El Análisis Probabilístico evalúa el riesgo de falla en cualquier álabe de un grupo, con base en información estadística. La falla pudiera asociarse con la probabilidad de que un álabe operara a un margen de frecuencia menor al adecuado o la probabilidad de que el esfuerzo vibratorio exceda el límite de duración durante un período temporal. La medición adecuada de la probabilidad de falla o el riesgo multiplicado por la consecuencia de la falla suele ser de utilidad para las evaluaciones financieras de las opciones de mantenimiento y reparación.

  Seleccione el gráfico para ampliar la imagen. Respuesta típica de vibración de orden múltiple de álabe, medida con sistema de telemetría.

• El Monitoreo No Invasivo es una técnica desarrollada por el SwRI para la detección de cambios en los márgenes de frecuencia natural de los álabes que contribuyen a los esfuerzos vibratorios altos. El método requiere de acelerómetros sensibles y de alta frecuencia montados en los cojinetes que están calibrándose para sensar las fuentes de vibración en el álabe. Los datos se registran, filtran, promedian y analizan continuamente en múltiples síncronos de velocidad de funcionamiento. Las tendencias de fase y amplitud se monitorean y diagnostican en cuanto a resonancia y amortiguamiento, utilizando algoritmos modales de ajuste. El método detectará los cambios de frecuencia de resonancia de todos los álabes o grupos de álabes en una etapa. Pueden monitorearse filas de álabes múltiples, si sus frecuencias naturales están separadas por lo menos por un orden rotacional.

  Técnico del SwRI instalando calibradores de tensión en una turbina de LP, preparando una prueba de tensión rotatoria por telemetría.

• Las Pruebas de Sistemas de Telemetría o Anillo Deslizante pueden ser proporcionadas por el SwRI cuando las respuestas resonantes del álabe se requieren en condiciones de rotación para asegurar que toda la interacción entre los álabes y se incluyan los efectos de endurecimiento CF. Se colocan calibradores de tensión en puntos críticos de esfuerzo, se tienden cables a lo largo del álabe y el rotor hacia un transmisor y luego se reciben las señales mediante una antena estacionaria que va a un equipo estacionario de registro.

Aplicaciones: Todos los álabes rotatorios, cubos, impulsores: todas las paletas, boquillas y cartuchos estacionarios utilizados en turbinas de gas, turbinas de vapor, compresores, ventiladores, expansores y otros equipos rotatorios.

Tecnología de Soporte:

• Laboratorio metalúrgico completo con capacidad para identificar mecanismos de fractura, confirmar especificaciones de material y evaluar las aportaciones ambientales.

• Servicios de monitoreo en campo y de diagnóstico para el registro y evaluación de la vibración, pulsación, tensión y desempeño de la maquinaria en su locación.

• Análisis dinámico y térmico con capacidad para la evaluación de la dinámica estructural y de fluidos en discos, aerodinámicos, anexos y otros.

• Análisis de mecánica de fracturas y pronósticos de vida útil.

Tutorial de Auditoría (pdf)

Si tiene alguna pregunta sobre tecnología de turbinas de gas o tecnología de auditoría de vibración de álabes, sírvase enviar un correo electrónico a Klaus Brun o llamar al (+210) 522-5449.

Departamento de Ingeniería Mecánica y Fluidos
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Southwest Research Institute^® (SwRI^®), Con oficina principal en San Antonio, Texas, es una organización multidisciplinaria, independiente, no lucrativa de investigación de ingeniería aplicada y ciencias físicas con divisiones técnicas 11.