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Centro de Tecnología
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Tecnología de Auditoría de Vibración de Álabes

 

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  image of blade being prepared for audit
 

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:

  • Daños a los álabes

  • Atascos rotatorios
      image of Test set up for impulse/strain measurement test
     

    Configuración de prueba para medir impulso/deformación por SwRI. Martillo de impulso en el primer plano; medidor de deformación en un álabe sano en la ubicación de la grieta.

  • Trepidaciones

  • Fricción en la punta del álabes

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:

  • 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.

  • 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.

graph of Campbell diagram exhibiting frequency margins for fundamental stair and flow distortion excitations   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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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.

 

  • 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).

  • 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.

  • graphic of excitation of rotating blades caused by passage through stationary wakes and flow distortions   Respuesta típica de vibración de un álabe de multi-orden con sistema telemétrico.

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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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    Respuesta típica de vibración de un álabe de multi-orden con sistema telemétrico.

  • 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

  • Nuestro laboratorio metalúrgico completo con capacidad de identificar mecanismos de fractura, confirma les especificaciones del material y evalúa las contribuciones al ambiente.

  •   Técnico de SwRI instalando medidores de deformación en una turbina LP, como preparación para una prueba telemetría de deformación de rotación.
     

    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.

  • Capacidad para realiza Análisis dinámicos y térmicos que permiten evaluar la dinámica de fluidos y estructura de discos, superficies de sustentación, aditamentos y similares.

  • 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

  

Información de Contacto

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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August 07, 2014