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IX Jornadas de DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO
AUTOR: ING. JOSÉ LUIS IPORREANALISTA DE CONFIABILIDAD Y DESEMPEÑOCOBEE S.A.
ANÁLISIS ORBITAL EN GENERADORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA
“Confiabilidad y Mantenimiento”
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INTRODUCCIÓN
El análisis de vibraciones es considerado como la mejor herramienta dediagnóstico de equipos rotatorios cuando se la utiliza con todo supotencial.En la actualidad existe un sinfín de técnicas asociadas al análisis devibraciones, que pueden mostrar de manera clara signos que identificanla falla.
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CONCEPTOS BÁSICOS
El movimiento vibratorio se define como la variación o cambio deconfiguración de un sistema en relación al tiempo, con respecto a unaposición de equilibrio estable, siendo esta posición a la que llegancuando la fuerza que actúa sobre él sea cero.
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CONCEPTOS BÁSICOS
El Su característica fundamental, es que dicho movimiento es periódico,siendo frecuente el movimiento armónico simple, por lo que adquiere unasingular importancia en los estudios vibratorios.
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CONCEPTOS BÁSICOS
Los sistemas mecánicos al ser sometidos a la acción de fuerzas variablescon el tiempo, principalmente periódicas, responden variando sus estadosde equilibrio y como consecuencia, presentan cambios de configuraciónque perturban su normal funcionamiento, afectando principalmente a suscomponentes críticos, que pone en riesgo la integridad de operadores yde la propia unidad.
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CARACTERÍSTICAS DE UNA SEÑAL VIBRATORIA
La base principal de las señales vibratorias en el dominio del tiempo sonlas sinusoidales. Una oscilación puede ser representada por un sistemamasa-resorte, que tiene como variables importantes: la amplitud, la fase yel periodo.
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ANÁLISIS DE ÓRBITAS
La vibración en equipos rotatorios puede ser caracterizada por una órbitacinética en cualquier punto a lo largo de su eje. Esta órbita describecomo varía la posición de centro de masa a lo largo del tiempo
La forma de la órbita depende de las características dinámicas del eje, delos descansos o fundaciones, la ubicación axial en el rotor y la forma enque el equipo es excitado.
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TIPOS DE GENERADORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Existe una variedad de generadores eléctricos, con un mismo principio defuncionamiento, que es el ser impulsados mediante la conversión deenergía mecánica en energía eléctrica.Los métodos para convertir la energía mecánica pueden ser hídricos,térmicos, eólicos y nucleares.Todos estos procesos incluyen rotación dinámica a distintas velocidades,que originan enormes cantidades de masa produciendo grandesesfuerzos dinámicos que pueden convertirse en un gran peligro si no sondebidamente controlados.
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ANALISIS DE FUERZAS EN UN GENERADOR
El principio de generación hace que se pueda utilizar muchos elementosmecánicos para su producto final. Estos sistemas pueden ser sencilloscomo son los hídricos o complejos como son los térmicos.
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ANALISIS DINAMICO DE LOS ROTORES
Al utilizar varios medios de transmisión, se vuelve más complejo el controlde los esfuerzos dinámicos que deben ser bien controlados para tener unequipo con un elevado índice de confiabilidad para su funcionamiento. Demanera que se han desarrollado varias técnicas de monitoreo ydiagnóstico para que la salud de los equipos sean debidamenteinspeccionados.
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TÉCNICAS DE MONITOREO DE GENERADORES
El análisis de vibraciones se ha constituido en la mejor herramienta quepuede establecer un monitoreo de los sistemas de rotación en generacióneléctrica, pudiendo ésta técnica ser monitoreada mediante un valor globalcon límites condenatorios y de seguridad. Paralelamente el control detemperaturas es un excelente complemento para establecer la salud deequipo de generación
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SISTEMAS DE MONITOREO DE VIBRACIONES
El control de niveles de vibración no ha sido suficiente para establecer uncontrol adecuado de los esfuerzos dinámicos que ocurren dentro de lossistemas de generación. El análisis mediante el dominio de la frecuencia yel dominio del tiempo se han constituido en una herramienta importantepara el análisis de la dinámica de los rotores.
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TÉCNICAS DE ANÁLISIS EN SISTEMAS DE GENERACIÓN
A través de los años y la evolución de la tecnología, se ha podidoestablecer que el análisis de vibraciones mediante espectros y formas deonda no han sido suficientes para establecer un claro diagnóstico de lasfenómenos que ocurren en los sistemas de generación, de manera quesurgen técnicas adicionales que son muy útiles para determinar elcomportamiento de los sistemas dinámicos, de los cuales podemosmencionar:
- El análisis de fase- Análisis orbital- Coast down y run up (análisis de velocidad crítica)- Diagrama de bode, Nyquist- Análisis en cascada- Análisis de elementos finitos-
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ANÁLISIS ORBITAL DE SISTEMAS DE GENERACIÓN
El análisis de orbitas ha sido una de las mejores técnicas de diagnósticoencontradas para determinar el comportamiento en los sistemas degeneración eléctrica, ya que su análisis a profundidad muestra fenómenosdifíciles de diagnosticar.
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ANÁLISIS DE ORBITAS
El análisis de órbitas se realiza mediante el desplazamiento que tiene eleje de rotación dentro del cojinete, movimiento que se lo puede detectarmediante el colocado de sensores que midan su movimiento en un par deejes cartesianos, estableciendo una orbita en cada giro del eje que nos dauna idea clara del comportamiento del eje.
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ANALISIS DE ORBITAS
El análisis de orbitas se refiere al movimiento relativo que existe entre eleje de rotación y los soportes donde están ubicados los cojinetes, que seconstituyen en parte estática del análisis
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ANÁLISIS DE ÓRBITAS
La forma de la órbita depende de las características dinámicas del eje, losdescansos y los soportes de los descansos o fundaciones, la ubicaciónaxial en el rotor y la forma en que el equipo es excitado.
Una de las fuerzas de exitacion más importantes en generadores es eldesbalance en el rotor, ya que la frecuencia de excitación es igual a lafrecuencia de rotación del eje. Sin embargo existen otras formas deexcitación, tales como la asimetría de la sección transversal, en la cual lafrecuencia es igual a múltiplos de la frecuencia de rotación del eje.
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En general, la vibración medida puede venir de distintas fuentes, y por lotanto se produce una vibración armónica y una órbita compleja, la cual esla suma vectorial de los efectos de las fuerzas excitadoras individuales ylas reacciones que éstas pueden producir.
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SOPORTES USADOS EN GENERADORES
Los descansos se pueden clasificar:- Descansos con elementos rotatorios (rodamientos)- Descansos hidrostáticos- Descansos magnéticos- Descansos hidrodinámicos
Los descansos hidrodinámicos en un amplio rango de equipos rotatorios,debido a que soportan grandes carga radiales con elevadas velocidadesde rotación.
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DINÁMICA EN DESCANSOS HIDRODINÁMICOS
Cuando el rotor comienza a girar, se crean altas presiones en el fluido enel sector de menos espesor, estas presiones soportan el rotor y lodesplazan la posición de equilibrio en ángulo y fase.
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FENOMENOS HIDRODINÁMICOS
Los descansos hidrodinámicos proveen alta amortiguación, se creanalgunos fenómenos hidrodinámicos que pueden afectar a la integridad deldescanso y su normal desempeño.Las vibraciones son autoexcitadas en especial cuando el eje se acerca auna velocidad crítica, estos fenómenos se los denomina Oil whip y Oilwhirl.
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TÉCNICAS DE MEDICIÓN
La posición de los sensores es importante para la obtención de una órbita,los mismos tienen que estar posicionados a 90°. Si los transductoresmiden vibración absoluta, entonces la órbita obtenida será del movimientoabsoluto del eje, independiente del movimiento vibratorio de las partes norotatorias. Si los sensores miden vibración relativa, la órbita será relativa ala componente de la estructura en el cual está montado el transductor.
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GRAFICADO DE ÓRBITAS
Los valores medios de los desplazamientos de los ejes, en cualquierdirección especificada relativa a una posición de referencia, estándefinidos por integrales con respecto al tiempo.
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GRAFICADO DE ÓRBITAS
Considerando la órbita cinética se puede realizar el graficadoconsiderando los picos de las ondas (peak to peak)
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FALLAS EN GENERADORES ELÉCTRICOS
Las fallas que se pueden detectar mediante análisis de órbitas son:desbalance, desalineamiento (leve y severo) y torbellino de aceite
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Existen fallas eléctricas que pueden aportar fenómenos vibratorios queaportan a lo que puede pasar dentro el funcionamiento de un generador
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DESBALANCE
El desbalance es definido como una distribución de masa desigual conrespecto al centro de rotación de un rotor de generador. Su forma de ondaes sinusoidal y la frecuencia de exitación será la velocidad de giro delrotor (1X).Es imposible eliminar de manera total el desbalance, pero existen normasque pone límites admisibles y siempre queda un desbalance residual enlos rotores.
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DESALINEAMIENTO EN GENERADORES
Es una condición en la cual los ejes de un generador no están en lamisma línea de centros. Existe el desalineamiento paralelo y el angular.La causa principal son fallas en el procedimiento de montaje, defectos enlas bases, fallas estructurales, acoples mal elegidos, maquinados malrealizados y efectos térmicos.
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DESALINEAMIENTO SEVERO EN TURBINAS TÉRMICAS
En turbinas térmicas como los ejes son de mayor longitud y lasvelocidades muy elevadas, si no se toma en cuenta efectos térmicos yacoples apropiados, puede existir desalineamientos severos
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TORBELLINO DE ACEITE
Las vibraciones inducidas a los descansos pueden ser: vibracionesocasionadas por autoexcitación de componentes de la máquina o porjuego excesivo y una carga radial ligera, lo que resulta en unaacumulación de una película de aceite dañina para el descanso.
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CASO DE TURBINA DE LA CENTRAL DE KENKO
Se ha tenido el caso de la turbina de potencia de la central de Kenko deCOBEE S.A. que se ha podido diagnosticar adecuadamente el problemamediante la aplicación de la técnica de análisis de órbitas que acontinuación se lo describe
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SINTOMAS Y ELEVADA VIBRACIÓN
Después de un overhaul de la unidad los niveles de vibración seincrementaron tanto que salían fuera de los límites tolerablesocasionando sobrecalentamiento en 2 cojinetes. Al realizar la toma devibraciones los espectros y las formas de onda mostraban muchainestabilidad, donde parecía que la fricción era la principal causa de lafalla.
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VERIFICACIÓN DE ALINEAMIENTO DE LA UNIDAD
Se realiza la verificación de los 2 acoples que tiene la turbina, en primerainstancia se realiza la verificación de la turbina Roll Royce con el reductor
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Posteriormente se realiza la verificación del segundo acople, es decir delreductor con el generador.
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VERIFICACION DE LOS COMPONENTES
Como consecuencia del primer diagnóstico se realiza el desarmado de launidad, para verificar el estado de los componentes importantes que sonlos cojinetes y acoples. Llegando a establecer que no había nada raro yque todo se había montado correctamente.
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DIAGNOSTICO MEDIANTE ANALISIS ORBITAL
Una vez armado nuevamente se realiza el análisis mediante órbitas en losdescansos donde están ubicados los sensores de proximidad. Las cualesmuestran 2 tipos de problemas, el primero desbalance residual y elsegundo bastante fricción en los cojinetes
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DIAGNÓSTICO DE LA FALLA
Al realizar un análisis detallado de las órbitas encontradas mediante laaplicación matemática y el comportamiento de las órbitas durante elarranque, aplicación de campo magnético, la sincronización de la unidady la etapa de parada, se llega a las siguientes conclusiones.- El principal problema de la turbina de potencia es el desbalance
residual que tienen los álabes, primero por estar fuera de norma ysegundo por que estaba mal distribuido.
- El problema de la fricción excesiva en los cojinetes y la restricción demovimiento era nada más una consecuencia y no causa raíz.
- El desalineamiento que se corrigió no era causa evidente para elaumento de los niveles de vibración, solamente confundía aldiagnóstico equivocado.
Orbita después de haber sido balanceada la turbina
