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Tecnologías para Maquinaria Rotacional

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Proyectos Actuales

Durante los últimos años, Southwest Research Institute (SwRI) ha evaluado un número importante de turbinas de gas para diagnosticar las causas de raíz de las fallas, corregir los problemas de operación o mejorar la vida del componente. Breves descripciones de algunos de los problemas más significativos resueltos y de los programas realizados:

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Sistema de Administración de la Vida de los álabes de las Turbinas de Gas — Un Programa de Consorcio Industrial

SwRI ha desarrollado métodos y software para predecir la vida útil de los álabes de la sección caliente de las turbinas de gas para las turbinas de gas en la estructura de GE. Se han desarrollado extensas pruebas de materiales para componentes nuevos y expuestos a servicio, para desarrollar las propiedades pertinentes de los materiales, usados en el algoritmo y software de evaluación de vida útil. Los participantes del consorcio pudieron usar estos datos en su programa de manejo de la vida útil de su flota de turbinas, para obtener ganancias económicas mediante una prudente programación de los intervalos de inspección y mantenimiento, al tiempo que conservan una buena disponibilidad y confiabilidad en sus motores.

Análisis de la Causa de Raíz de Fallas de álabes y Paletas de Motores Aeroderivados

Se realizaron análisis de falla de los álabes, paletas y abrazaderas de una sección caliente agrietada a través de varias investigaciones individuales para identificar los mecanismos de daños en los componentes del motor de la mayoría de los fabricantes de motores. Los mecanismos de fallas o degradación incluyen fatiga de alto ciclado (HCF por sus siglas en inglés), corrosión caliente, fractura intragranular, oxidación por alta temperatura y fatiga térmica. Se identificó la causa más probable de falla de los componentes y se recomendaron acciones correctivas a los usuarios de la turbina. Se recomendaron otros programas de investigación según se requerían para mejor entender las causas de raíz de las fallas inusuales.

Modelo de Evaluación del Tiempo de Vida del Recubrimiento de la Sección Caliente de la Turbina de Gas

En las turbinas de gas, la vida e integridad de los recubrimientos, aplicados a la protección de los componentes de los ataques ambientales y de la degradación, rigen la vida y los intervalos de mantenimiento de la sección caliente. SwRI ha desarrollado métodos modernos de predicción sobre los tiempos de vida útil de recubrimientos para varios sustratos/sistemas de recubrimientos. El modelo ha sido calibrado con la experiencia de servicio y puede usarse para predecir la vida útil de los recubrimientos específicos de los álabes de una turbina en servicio.

Calificación de la Sustitución de Materiales en los álabes de una Turbina

El propietario de una turbina buscaba mejorar la confiabilidad y reducir el costo de mantenimiento de su flota de turbinas de gas de gran estructura, sustituyendo algunos materiales y recubrimientos. Los materiales, recubrimientos y datos de vibración fueron evaluados por SwRI para calificar un material alternativo y el diseño de la primera línea de álabes de la sección caliente. Se evaluaron proveedores y calificaron para manufacturar los álabes y aplicar los recubrimientos seleccionados. Como resultado, el propietario de la turbina logró un incremento significativo en la vida de los álabes y redujo los costos de mantenimiento.

Investigación sobre la Marcha de los álabes

Se investigó un problema de toda la industria, relativo a la falla de los álabes de compresores en las turbinas de gas de gran estructura mediante un programa de $1,000,000 apoyado por EPRI. Un estudio de los procedimientos de reparación de la turbina reveló varias prácticas que dañan los dispositivos de retención de los álabes. SwRI monitoreó la holgura de los extremos de los álabes, la distorsión de la carcasa y los sensores de gradiente térmico durante un periodo de tres años de operación de turbinas. Este monitoreo controlado por computadora demostró que la fricción en las puntas de los álabes era también un principal contribuyente al problema de marcha de los álabes. La fricción en la punta era provocada por un enfriamiento inadecuado de la unidad después de la operación. Se desarrollaron entonces unos videos para capacitar al personal de servicio con respecto a las medidas para evitar los daños durante la operación y la reparación.

Balanceo para las Turbinas de Potencia Aeroderivada para el Servicio de Oleoductos

Una turbina de potencia experimentaba una vibración excesiva que fue diagnosticada por SwRI como un desequilibrio excesivo. Los pesos de balanceo correctivo se calcularon con base en los datos registrados en el sitio, y el problema fue resuelto anexando pesos al eje de acoplamiento. También se descubrió una fisura en el pedestal de soporte, y se reparó una soldadura durante la pausa subsiguiente.

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Falla de las Chumaceras de la Turbina de Gas Aeroderivada

Una falla de la chumacera de rodillos principal fue atribuida a la desalineación de los soportes de la chumacera causados por un enfriamiento desigual y distorsión de la carcasa de la turbina. El mal funcionamiento resultante del amortiguador de la película de constricción provocó una carga dinámica excesiva y redujo la vida de la chumacera. Las chumaceras de bola y de rodillos adyacentes sostuvieron un ligero daño consecuencial. La causa de la falla fue documentada para apoyar la revisión de los procedimientos de alineación.

Auditoría a las Instalaciones de la Fuerza Aérea para el Recubrimiento Térmico en Aerosol de un álabe para Turbina

SwRI condujo una auditoría y calificación detallada de varios recubrimientos en los componentes de diversas aeronaves. Se revisaron las órdenes técnicas, los documentos de control del trabajo, las hojas de operación del proceso, los procedimientos de certificación del recubrimiento y las especificaciones del mismo. Se descubrieron así varias anomalías en los documentos, y se recomendaron acciones correctivas. También se revisaron los resultados de una evaluación metalúrgica de todos contra todos. La revisión resultó en el rechazo a algunos de los procedimientos de los recubrimientos debido a problemas de calidad.

Sistema de Diagnóstico del Sistema de Vibración para Turbinas de Gas Westinghouse 501

Una través de la cooperación con EPRI y del financiamiento de servicios, se desarrolló un sistema para la adquisición de datos y diagnóstico. Los datos adquiridos a partir de un sistema desatendido se analizan, detectando los tiempos de giro de los engranajes, las velocidades críticas, la integración del tiempo de carga y otros parámetros. Se definen las tendencias de los niveles pico y un sistema de expertos diagnostica la causa de raíz de los problemas al ocurrir vibraciones excesivas. Se construye un programa amigable al usuario para balanceo en el sistema. Se han instalado varios sistemas en unidades con acceso de módem telefónico para que el equipo de ingeniería y mantenimiento tenga acceso a los datos. Los sistemas de diagnóstico se instalaron en un sitio en cuatro unidades que se interconectaron vía LAN.

Vibración de una Turbina de Gas Aeroderivada en el Servicio de Compresión de un Oleoducto

Una serie de cortes de energía forzados provocados por exceso de vibración resultó en una reducción en el servicio de transmisión del gas y un costo excesivo de reparación y mantenimiento. Una investigación in situ reveló graves brincos en la vibración debido a un deslizamiento de las juntas del rotor, una no linealidad de la estructura principal de chumaceras y unos cables de señales defectuosos. Se desarrolló un plan de correcciones para mejorar los cables, estableciéndose un criterio de equilibrio de tolerancia más estrecha para reducir los niveles de excitación del rotor.

Pruebas de Fuga y Resistencia Aerodinámica del Sello Rotatorio del Laberinto

Se fabricó una instalación de prueba de sellos con 15,000-rpm para un fabricante principal de motores de aeronaves, y se llevaron a cabo pruebas en varios de los sellos de descarga del compresor. El programa de pruebas aportó datos críticos para verificar los algoritmos predictivos que controlaran los parámetros de prueba para mejorar el rendimiento de los motores.

Evaluación de Daños de la Sección de la Cámara de Combustión de una Turbina Aeroderivada

Esta investigación combinó la evaluación metalúrgica de las superficies térmicas dañadas y el análisis termo-mecánico de la energía que chocaba con las partes afectadas del difusor. El análisis reveló el derretimiento de los componentes críticos debidos a una combustión no controlada en cámaras inadecuadas. La combustión era provocada por una purga incompleta durante el arranque.

Problemas de abrasión de los álabes de la Sección Caliente Aeroderivada

La inspección visual indicó que la vibración de los álabes desempeñaba un papel significativo en los daños de los álabes por abrasión. Los sitios de la abrasión son consistentes con la ubicación del inicio de la fractura del disco que provocó el rechazo temprano de partes muy costosas. Se recomendó la rehabilitación del amortiguador de vibración de los álabes.

Falla de las Aspas del Compresor de una Turbina de Gas Aeroderivada

Los exámenes a las partes con falla revelaron una grave abrasión de los segmentos internos de la abrazadera de las aspas del compresor y una falla pro fatiga de alto ciclado de un plano aerodinámico. El diagnóstico de la vibración de la turbina reveló que el atasco de la rotación se desarrolla con la operación a baja potencia, que era la condición de operación preferida. Se dedujo que los largos periodos de operación a baja potencia llevan a una acumulación de daños por abrasión. El problema fue resuelto ajustando el programa de operación para evitar el atasco de la rotación.

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Fatiga de Alto Ciclado del álabe de una Turbina de Cuarta Etapa Aeroderivada

Un problema recurrente de falla en el álabe de la sección caliente de la cuarta etapa fue rastreado hasta la fricción de la punta del álabe debido al alineamiento y a problemas de control de holguras de la punta relacionados con el diseño y la instalación. La revisión del diseño para incrementar las holguras de la punta eliminó la fricción de las puntas y la falla de los álabes.

Falla de la Boquilla de Primera Etapa en una Turbina de Gas Aeroderivada

El examen visual indicó que varias boquillas tenían una grave distorsión debido a una reducción térmica. Las pruebas de flujo revelaron que las aspas deformadas eran significativamente deficientes en cuanto a capacidad de enfriamiento del flujo. Una imagen térmica de la boquilla reveló un bloqueo de los pasajes de flujo internos. Un examen metalúrgico de las aspas de la sección reveló que los pasajes de flujo se bloqueaban por la acumulación de depósitos de calcio y silicón, indicando ingestión de partículas de polvo fino. Se recomendó un sistema de filtro de aire mejorado.

Falla de álabes del Compresor del Propulsor de una Turbina de Gas Aeroderivada

Un examen metalúrgico reveló picaduras por corrosión que habían reducido los límites de resistencia efectivos del material de los álabes. Las tensiones estimadas por la vibración se compararon con varias otras etapas, indicando que el álabe con fallas podía asumir un estrés vibratorio aceptable si la concentración de estrés ocurrida por las picaduras por corrosión pudiera eliminarse. Se recomendó un recubrimiento con resistencia a la corrosión.

Daños por Incendio en una Turbina de Gas Industrial

Un incendio en la sección del compresor dañó los bujes de las aspas variables y evitó que el rotor corriera después de la desconexión. La investigación de SwRI identificó la causa más probable del incendio como una fuga de las boquillas del combustible de gas en la sección de la cámara de combustión.

Fallas en las Chumaceras de una Turbina de Gas Aeroderivada

Se examinó una serie de cuatro chumaceras de rodillo y de empuje de distintas turbinas. Todas las chumaceras mostraron evidencia de sobrecalentamiento que fue atribuida a cargas radiales y/o de empuje excesivas y a una cantidad inadecuada de lubricante. Parte del daño fue resultado de materiales inadecuados, tratamientos de calor inadecuados o chumaceras excesivamente reparadas. Se recomendó un mejor control de calidad y se tomaron medidas para evitar la contaminación del aceite de lubricación.

Análisis de Diseño para las Modificaciones a un Sistema de Lubricación de Aceite

Los propietarios de un compresor de un ducto para gas aeroderivado deseaban reducir el costo realizando una separación del sistema de aceite sintético para lubricación para la turbina de gas del sistema de aceite mineral para el compresor. SwRI rediseñó el sistema de lubricación de aceite para tener un control de flujo adecuado para ambos componentes en el tren de rotación.

Falla de la Sección Caliente de una Turbina de Gas Aeroderivada

Se encontraron varios daños en los álabes y aspas de primera y segunda etapa con daños reducidos en el plano aerodinámico de tercera y cuarta etapas. Un solo álabe de la primera etapa de la turbina falló en una sección de extensión básica, creando un daño consecuencial masivo que incluyó una explosión a través de la carcasa de la turbina. La falla del álabe aislado se atribuye a una deficiencia en el material del álabe y a un exceso de excitación de las boquillas de primera etapa.

Integridad de los álabes y Boquillas en una Turbina Aeroderivada para el Servicio de Generación de Energía

Se experimentaron repetidas fallas en los álabes y boquillas en motores de combustible líquido. El análisis de las causas de raíz de la falla encontró que la contaminación aerotransportada o del combustible provocaba fallas por corrosión por calor de los álabes y boquillas HP y PT. Un programa de pruebas de arco iris al recubrimiento proporcionó datos para apoyar las recomendaciones de recubrimientos de aspas y álabes para mitigar el problema de corrosión por calor. Los nuevos recubrimientos mejoraron la confiabilidad de la sección caliente, lo que significativamente mejoró la confiabilidad de la turbina.

Falla del Compresor de una Turbina de Gas Aeroderivada

La falla fue rastreada hasta la fatiga de un plano aerodinámico de las aspas del compresor de tercera etapa que se había iniciado en un foso de corrosión en los cables medios. El plano aerodinámico suelto provocó daños secundarios subsiguientes al compresor y a las secciones calientes. Se documentó el nivel de los daños y se hicieron recomendaciones para la reparación y reemplazo de los mismos. Se proporcionaron recomendaciones para el recubrimiento a fin de mitigar los daños futuros por corrosión

Pruebas de Validación del Flujo del Desplazamiento de la Entrada del Compresor de la Turbina de Gas Aeroderivada

Se diseñó y fabricó un modelo a escala del desplazamiento de entrada; se ajustó un ventilador de corriente inducida y se perfilaron las velocidades de flujo. Ligeras modificaciones a la entrada, con base en estos datos, generaron una reducción importante en las pérdidas de flujo y una mejora en el rendimiento de la turbina.

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Fatiga del Quemador de una Turbina de Gas Industrial

El examen metalúrgico proporcionó evidencia de que una combinación de fatiga de alto ciclado y las zonas calientes era la causa primaria de los daños. Se llevó a cabo una investigación usando los transductores de presión dinámica y acelerómetros localizados en la sección de combustión. El problema se identificó como un problema de ruido de la cámara de combustión creado por el flujo pulsante en la línea de suministro del combustible. Se recomendaron dispositivos para la supresión de la pulsación para las líneas de combustible.

Erosión del Domo de la Cámara de Combustión

La cámara de combustión de una turbina aeroderivada había experimentado erosión en el domo debido a la inyección de agua para el control de NOx Las pruebas de aparejos de SwRI indicaron que tanto la corrosión como la erosión afectan al proceso de daño acumulativo. Estos hallazgos redireccionaron el enfoque de OEM [Fabricantes de Equipo Original] para el rediseño mejorado de la cámara de combustión.

Fallas de Acoplamiento del Tren del Compresor Accionado por una Turbina de Gas Industrial

Se identificaron problemas como resultado del análisis de los errores de diseño en el cálculo de la velocidad torsional crítica. Un sistema de telemetría de la calibración de esfuerzos se unió al acoplamiento, el cual demostró que tres velocidades torsionales críticas de diversas gravedades estaban dentro del rango de velocidad de operación de la turbina. Se recomendó un aditamento intermedio para limitar la velocidad de operación y evitar así la excitación excesiva de las velocidades torsionales críticas más graves hasta que se pudiera proporcionar un acoplamiento rediseñado.

Evaluación de la Rehabilitación y Degradación del Servicio de los álabes de la Sección Caliente

Se llevaron a cabo pruebas de los álabes y recubrimientos de la sección caliente para entender el nivel de degradación y cuantificar el efecto de la exposición de servicio en los álabes. Se realizaron pruebas metalúrgicas y mecánicas por SwRI para determinar la calidad del proceso de rehabilitación usado por los OEM para revertir el daño de los álabes. Se hicieron recomendaciones al usuario de la turbina con respecto a la adecuación de los componentes para un servicio continuo.

Altas Vibraciones en una Turbina Grande de Gas Industrial para la Generación de Energía

Dos trenes del generador de la turbina experimentaron altas vibraciones en la operación y problemas de falla en el arranque debido a la excesiva vibración al pasar a través de las velocidades críticas. Se usó un balanceo de rotor de multi-planos y multi-velocidades desarrollado por SwRI para reducir la vibración a niveles aceptables en las velocidades críticas y a la velocidad de operación.

Vibración de la Coraza del Intercambiador de Calor en una Planta de Separación de Aire

Alto nivel de ruido, vibración y pulsación del enfriador de primera etapa se asociaba con una configuración de las aspas guía de entrada baja. Las pruebas implicaban una frecuencia de resonancia de la coraza del enfriador mediante la realización de pruebas de impacto, mapeo de la forma del modo acústico a través del enfriador y del compresor, mapeo de los modos acústicos circunferenciales en las aspas guía de entrada y mapeo de la presión estática a través de las ubicaciones del IGV y de otros compresores. Se determinó la excitación de la efusión de vórtex como la causa más probable, a partir de la separación del flujo en IGV. Se recomendaron varias alternativas de solución, incluyendo obturación con restricción alternativa de flujo, rediseño del IGV, del impulsor o de la sección del difusor, o desentonar la resonancia estructural y acústica dominante de las frecuencias de excitación preferentes.

Diagnóstico del Sello del Expansor-Turbo y Daños a la Punta de los álabes

Un turbo-expansor en una planta de proceso experimentó vibración excesiva que provocó daños a los sellos y fricción de la punta del álabe. Las pruebas modales confirmaron que las frecuencias de resonancia del eje estaban dentro de los rangos de velocidad de operación. Una investigación diagnóstica reveló que la carcasa del rotor y los soportes estaban siendo sometidos a una carga excesiva debido a la expansión térmica de la tubería de conexión que estaba inadecuadamente aislada por las juntas de expansión. Un rediseño de las juntas de expansión aligeró el problema.

Fallas en los Fuelles de la Tubería de disparo cruzado de una turbina de gas industrial

Un examen metalúrgico reveló que los fuelles de la tubería de disparo cruzado habían fallado. Una fatiga de alto ciclado, los diagnósticos de vibración mediante los sensores instalados en el sitio y las pruebas subsiguientes realizadas en las Instalaciones de Flujo del SwRI revelaron una excitación de efusión del vórtice que corresponde con las frecuencias naturales de los fuelles estructurales.

Falla de las Aspas del Difusor de Salida de la Turbina de Gas

Una investigación diagnóstica en el sitio, usando calibradores de esfuerzo de alta temperatura en el aspa del difusor mostró altos niveles de tensión que corresponden con las frecuencias naturales identificadas mediante las pruebas de impacto modal. Los datos de pulsaciones revelaron una fuente acústica fuerte que corresponde con los niveles de tensión en el rango de frecuencia de 200-Hz. Estas pulsaciones se atribuyeron a los mecanismos de efusión del vórtice.

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SwRI puede ofrecerle una amplia gama de capacidades y experiencia en tecnologías de maquinaria rotatoria, incluyendo convertirse en una extensión de su departamento de ingeniería. Para mayor información acerca de tecnologías para maquinaria rotacional de SwRI o como contactar a SwRI, favor de contactar a Klaus Brun, Ph.D., en la siguiente dirección kbrun@swri.org o al teléfono +1 210 522-5449.

 

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August 07, 2014