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Análisis de vibración
Análisis de vibración de la caja de engranes de una turbina de
Windflow
Por
Nigel Leigh
Articulo
publicado en la revista
Reliability-Magazine en su edición del May-Jun del 2006.
Windflow Technology
ha diseñado, construido e instalado un
prototipo de turbina de viento de medio-megavatio en Port Hills of
Christchurch, Nueva Zelanda. Ellos han planeado un parque eólico de 104
turbinas. Este artículo
describe:
• El diseño novedoso de la caja de engranes, es un epicíclico de cuatro
etapas, con pasadores flexibles de planeta para ayudar a compartir la
carga, y un limitador hidráulico de torsión para reducir las cargas de
pico en la maquinaria.
• Monitoreo de vibración, análisis de la fuente del ruido audible, y las
modificaciones resultantes del diseño de la caja de engranes para operar
de un modo mas silencioso.
• Monitoreo en línea después de la re-instalación, incluyendo
comunicaciones remotas y un nivel básico de protección del cierre de la
planta.
INOVACIONES DEL DISEÑO
El diseño de esta turbina ha sido optimizado para las condiciones de
Nueva Zelanda. Estas condiciones demandan la tolerancia para vientos
fuertes, aunado al peso ligero (relativo) para la comodidad de la
instalación en las colinas remotas y escarpadas.
Rotor auto
oscilante
El viento no es constante, y las ráfagas no tienden a ocurrir
uniformemente sobre el disco entero del rotor. Esto puede causar cargas
de torsión excesivas en la turbina, por ejemplo si una ráfaga fuerte
ocurre en la mitad superior del rotor. En el diseño, las dos hojas del
rotor son conectadas rígidamente una a la otra en el eje, pero es
permitido algo de juego en la conexión del eje principal. Esto permite
al "disco" formado por las hojas que giran para desviar en caso de
ráfagas asimétricas. Aún más listo, este desvío causa que el tono de
cada hoja se ajuste levemente, contrarrestando algo la ráfaga. |
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Figura 1 |
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La Caja de engranes epicíclica con pasadores de Planeta de Carga
Compartida
La caja de engranes debía convertir 48 rpm en las hojas de rotor en 1500
rpm para el generador síncrono. También debía ser tan ligera y compacta
como fuera posible. Esto fue logrado utilizando un diseño de 4 etapas,
con tres de las etapas que utilizan engranes de epicíclico (planetario).
Estos fueron escogidos por su alto valor de torsión en una estructura
compacta.
El momento de torsión más alto actúa sobre la primera etapa de la vuelta
lenta. Utilizando más planetas, la carga puede ser compartida por más
dientes engranados simultáneamente. Cuatro planetas son el límite
superior común, como encima de ese número llega a ser muy difícil de
mecanizar el engranaje con tal precisión que toda acción iguala la
carga. Esto se venció utilizando pasadores flexibles de planeta, así
permitió utilizar ocho planetas en la primera etapa. Pero éstos no son
pasadores rectos sencillos, ya que eso causaría que el eje de la
rotación de planeta se torciera, así retorciendo la malla engranada. En
su lugar, ellos utilizaron un diseño voladizo doble que tiene en cuenta
un masivo 0.5mm (19,7 miles) de desvío axial, sin torcer. Figura
2. |
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Figura
2. |
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Limite del torque de la caja de engranes (Patentado)
Para lograr el objetivo de una estructura eficiente ligera, Windflow
utilizo el concepto del desprendimiento de la carga excesiva en vez de
resistirla. El rotor auto oscilatorio es un ejemplo de esto; la caja con
límite de torque (TLG Torque Limiting Gearbox) es uno mejor. El eje de
transmisión esta diseñado para resistir los momentos de torsión al
generar 500KW. En vientos más fuertes las hojas son echadas simplemente
para reducir el momento de torsión que estas producen. El problema son
las ráfagas de viento, que pueden desarrollar las cargas masivas del
pico. El gráfico debajo demuestra cómo la producción de poder es
limitada a 500KW, aún por ráfagas fuertes de viento. Figura 3. |
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Series de tiempo de la limitación del torque – 22 de marzo del 2004
Tiempo (s)
Figura 3 |
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El TLG es un concepto sencillo: conecta una bomba hidráulica en el lado
de la caja que bombea contra una válvula de alivio cerrada. De modo que
la bomba es normalmente estacionaria y la caja tiene una proporción fija
de la entrada hacia la salida. Pero durante las ráfagas repentinas la
torsión aumentada causa que la presión de la bomba exceda la válvula de
alivio y con resultados mecánicos de tropiezo, disipando el momento de
torsión. El rotor excede levemente la velocidad, causando que el
mecanismo automático del control del tono a ajustarse de nuevo. Pero es
complejo en la práctica, requiriendo la cuarta etapa epicíclica a tener
los tres componentes en movimiento (anillo, sol y al portador del
planeta). La figura 4 es complicada por la adición del freno externo de
disco, para cierres de emergencia. |
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Figura 4 |
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ANALISIS DE VIBRACION Y REDUCCION DEL RUIDO
Participación Inicial
de Commtest
Estábamos interesados en aprender acerca de los asuntos implicados en el
monitoreo de condición en turbinas de viento y habíamos contactado a
Windflow acerca de un arreglo mutuo de prueba de mercado. La primera
oportunidad ocurrida fue durante su prueba de pre-comisión, con la caja
de engranes más el ensamble del generador, en una fábrica en
Christchurch. El ensamble fue manejado por un equipo de prueba de motor
y caja de engranes como es mostrado, Figura 5. |
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Figura 5 |
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Ellos veían los niveles muy altos de la vibración en la velocidad
corriente del generador. Ellos supieron que el motor de aparejo de
prueba corría en una velocidad semejante, pero no podían determinar que
fue el culpable verdadero. Tomando unos pocos espectros de alta
resolución, fue claro que el motor de aparejo de 1480 rpm de prueba
dominaba totalmente cualquier vibración del generador en 1500 Rpm. ¡Windflow
fue muy feliz!
Figura
6. |
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Figura 6 |
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GMF de las cajas epicíclicas
Después de ese éxito inicial obtenido, las cosas se complicaron
rápidamente. Tres etapas epicíclicas significan muchos ejes, mallas de
engranaje y cojinetes, todo en una estructura compacta. ¡Los espectros
eran muy confusos! |
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Figura 7 |
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Creé una hoja de cálculo para calcular las varias frecuencias de falla
(el paso de planeta, el portador, el sol, el anillo, y todos los
cojinetes usuales que en cualquier velocidad, estos deben estar
girando). Figura 8. |
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Figura 8 |
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De preocupación particular fue el pico inmenso en 311 Hz, que fue
frustrantemente cercano, pero no igual al segunda etapa de GMF de 313,36
Hz. ¡Ningún número de cálculos nuevos podría traerlos juntos!
Sospeché un efecto de la modulación, causado por los planetas al pasar
por la ubicación del acelerómetro. La función de "la Frecuencia Basada
en el Análisis de la Forma de ondas" ascendente me permitió mirar la
forma de ondas en una banda estrecha de alrededor de 311 Hz.
Figura 9. |
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Figura 9 |
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¡Esto mostró una clara modulación! De modo que el pico verdadero debía
ser apenas una banda lateral del GMF. La diferencia entre los dos
cursores en la modulación de exposiciones de forma de ondas en acerca de
10 Hz, que corresponde con la frecuencia del Paso de Planeta (fc de
Portador de 2,51 Hz X 4 planetas).
PERO la diferencia entre 311 Hz y el GMF verdadero no están acerca de
2.5Hz, los 10 Hz…. Entonces no es justo eso.
Posteriormente en los procedimientos Windflow contrato los servicios de
muchos expertos de acústica y vibración. Uno fue Lan Le-Ngoc de IRL. Él
reveló un artículo de J. McNames titulado "el Análisis de la Serie de
Fourier de la Vibración Epicíclica de Caja de engranes". Las matemáticas
complejas que utilizó, predijeron que el sincronizó la señal de cada uno
de los planetas, anularía los otros, menos en múltiplos del número de
planetas. Como un ejemplo, él utilizó una caja con 119 dientes en el
engranaje del Anillo, para quienes esperarían medir un GMF en 119 veces
la rpm del Portador. El predijo que las vibraciones cancelarían en todas
frecuencias menos múltiplos de los ocho planetas, es decir, en 112, 120,
128 (x Portador rpm).
Figura 10. |
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Figura 10 |
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Las medidas en una caja de engranes de un helicóptero Cobra AH-1S
demostró ser exactamente este caso. ¡El GMF apareció en 120 cpr, no 119!
Figura 11. |
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Figura 11 |
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La segunda etapa de la caja de engranes de Windflow tiene cuatro
planetas y 125 dientes de anillo. De modo que el múltiplo más cercano de
planeta de número es 124 cpr, y: 124/125 * 313,5 Hz (GMF verdadero) =
311 Hz (observó GMF). ¡Eureka!
Por lo tanto, ahora estuvimos seguros que ese pico grande de la
vibración venía de la segunda etapa de la caja de engranes. ¿Pero por
qué fue mucho más grande que eso de (casi idéntico) la primera etapa?
Note que la primera etapa tiene el mismo número de dientes de anillo
(125) como la segunda etapa, pero tiene ocho planetas en vez de cuatro,
de modo que los múltiplos más cercanos de planeta de número están más
lejos del GMF verdadero, en 120 y 128…
Windflow tenía ya un retraso para instalar la turbina en la colina, de
modo que concluí mi (no oficial) informe de prueba con la denegación:
"Utilizar ISO 10816-3 como una referencia (rpm<=600, rígido, group2), la
mayoría de las ubicaciones tienen los niveles generales "Aceptables" de
la vibración en la banda 10-1000Hz…
"Sin embargo yo sugiero que la región de la frecuencia de 311 Hz debe
ser controlada de cerca cuando la turbina de Viento opera. Parece
significativo que por la comparación la primera etapa GMF en 102 Hz es
casi inexistente en los espectros".
El
Problema
del
Ruido
Después que la instalación fue terminada, los encabezados del periódico
comenzaron… “Turbina ruidosa molesta a los vecinos”…
“Problema de turbina ruidosa”
Las lecturas del nivel de sonido fueron tomadas para verificar de todos
modos para cumplir con la conformidad del Consentimiento del Recurso.
Ellos mostraron niveles aceptablemente bajos, aparte del 1/3 de octavo
de banda entre el episodio 250 y 400 Hz.
Pero que era exactamente la fuente del ruido?
Figura 12. |
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Figura 12 |
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Un micrófono de US $35 al rescate!
Me Dirigí a una tienda de electrónica e invertí la enorme cantidad de US
$ 35 en un micrófono y un par de adaptadores para convertir a una
conexión de BNC. Esta idea había venido de una presentación previa de
VANZ por Matt Fallow de ARS. Figura 13. |
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Figura 13 |
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¡Trabajó increíblemente bien! Al ser un micrófono pasivo su salida fue
bastante baja, de modo que entré a una sensibilidad baja de 10mV/g en el
instrumento. Los espectros resultantes tuvieron las unidades de G,
bastante extraño para una grabación de sonido, pero perfectamente
funcional para nuestro propósito de identificar las frecuencias exactas.
Figura 14. |
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Figura 14 |
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Como se sospechaba, el culpable principal fue el viejo 311 Hz GMF de la
segunda etapa.
Sendero
de
Transmisión
de
ruido
Windflow tuvo dos elecciones, eliminar el ruido en la fuente, o prevenir
de que saliera de la turbina. Claramente el primero fue preferible, pero
una rediseño en la caja de engranes sería muy costoso, de modo que
procuraron el último tratando de determinar el sendero de la transmisión
del ruido.
Este análisis extenso implicado de las formas del modo del palet, torre,
hojas, etc. Muchas frecuencias resonantes cercanas a 311 Hz fueron
identificadas en cada componente y varias tentativas fueron hechas para
aliviar la vibración conectando tapetes gruesos de plástico o inyectando
espuma. Los resultados indicaron que el alivio trabajó generalmente en
el componente al que fue conectado, pero todavía el nivel del ruido
externo no se redujo.
Ral de IRL encontró el sendero verdadero de la transmisión cuando él
realizó las pruebas del choque de la resonancia en el Eje principal de
baja velocidad (entre eje y generador). Figura 15. |
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Figura 15 |
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Cuando Windflow lo describió, su turbina actuaba como un "sistema
afinado de música":
• La segunda etapa la malla engranada fue el reproductor de discos
compactos
• La resonancia del eje de baja velocidad fue el amplificador
• Las hojas actuaban como bocinas.
¡Pero la "música" fue una sola nota muy aburrida, E-PLANO, 311 Hz!
La
solución
final al
ruido
La caja de engranes fue quitada y devuelta a los fabricantes en Auckland
para la evaluación de varias opciones de reparación. Las opciones fueron
diseñadas después de un análisis aún más exhaustivo del comportamiento
de cajas epicíclicas, incluyendo la distinción entre giratorio y los
modos de traslación de excitación. Figura 16. |
Figura 16 |
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Después de cada reparación la caja fue probada en su nuevo aparejo de
prueba a toda potencia, con lecturas detalladas antes y después de la
toma de lecturas de vibración. ¡En esta etapa Windflow había comprado su
propio instrumento de la vibración y llegaban a ser analistas capaces de
vibración por sí mismos!
¡La solución final es…bueno…confidencial, como fue tan exitoso que
Windflow ha solicitado una patente para cubrirlo! Vea usted mismo el
espectro antes y después, en la Figura 17. |
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Figura 17 |
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Monitoreo de Condición en línea (ONLINE)
Durante todo lo escrito líneas atrás, Windflow tuvo varias fallas de
cojinete en la caja de engranes. Estas eran principalmente alrededor de
los complejos ejes concéntricos de torsión que limitaban la cuarta
etapa. Mientras tanto, habíamos desarrollado un sistema de monitoreo en
línea. Estuvimos de acuerdo en un beneficio mutuo de prueba, en que
ellos ganarían la vigilancia y alguna medida de protección del cierre, y
nosotros ganaríamos la penetración en los desafíos de monitoreo en línea
en turbinas de viento.
La turbina está en un sitio remoto en las Colinas del Puerto, careciendo
aún de una línea telefónica terrestre. Decidimos instalar una
computadora personal local para controlar las grabaciones frecuentes de
protección, y utilizar un módem inalámbrico de datos para permitir el
acceso de la central.
Figura 18 |
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Figura 18 |
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La computadora personal local fue intencionada para ser simple, de bajo
precio de una computadora personal sólida sin partes móviles. Estas se
venden bajo nombres como "Win-Ter y "ThinClient." Estas utilizan memoria
flash, tiene procesadores de 1GHz y el costo es de tan sólo EEUU $ 500.
Esta computadora personal trabaja el programa de Gerente en línea
(Online Manager) que planifica las grabaciones en el vbOnline, las
almacena en una base de datos, verifica las alarmas y controla los
relevos de salida de vbOnline.
Establecimos una estructura de máquinas en la que las grabaciones
diarias de vigilancia de las cajas se mantuvieron separadas de las
grabaciones muy frecuentes de la protección.
Para la protección de las lecturas y la verificación de alarma, fue
complicado por varios factores:
• Los cambios significativos en niveles de vibración en diferentes
niveles de potencia de salida,
• La naturaleza del viento, causando cambios rápidos del nivel de
potencia,
• El deseo de tener una "segunda opinión" de las lecturas, antes de
causar un cierre de turbina. |
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Figura 19 |
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Dirigimos estos asuntos leyendo los niveles de potencia de salida de los
generadores del sistema del control PLC de turbina. Establecimos
Criterios de Registro para separar las grabaciones en tres niveles de
potencia, cada uno con sus propios umbrales de alarma. Intervalos de
Registro alternando los registros de verificación 1 y verificación 2,
cada uno que controlaba un relevo de salida. Cableamos los dos relevos
en la serie para que ambos necesitaran ser activados para causar un
cierre. Figura 20. |
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Figura 20 |
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Esta solución resultó adecuada, pero es bastante compleja, y la
separación en los niveles de generación de potencia no son perfectos. El
desarrollo esta en camino de resolver esto, que debe rendir los
beneficios no sólo para turbinas de viento, sino para todos los usuarios
de maquinaria de velocidad variable.
Actualización
al 2006
Esos desarrollos están cerca de completarse, ahora tenemos:
• “Onboard Criteria” (Criterios incorporados) – para que los registros
puedan ser configurados para sólo ser tomados cuando la velocidad y/o
otro parámetro (en este caso generación de potencia) son estables y
dentro de rangos especificados.
• "Modo de QuickScan" (escaneo rápido) – Escanea rápidamente todos los
canales verificando niveles generales excesivos de vibración, en el
orden para detectar rápidamente fallas mecánicos graves. Las respuestas
usuario-configurables recorren correos electrónicos y mensajes de sms
para retransmitir la activación. Los registros normales del análisis de
la vibración son intercalados automáticamente con QuickScans, en sus
tiempos planificados. En esta aplicación de Turbina de Viento la opción
de aplicar los Criterios RPM al QuickScan son útiles para asegurar que
las lecturas sólo sean tomadas cuando el viento sopla!
• "Solidez de beneficios" – cubriendo una gran variedad de asuntos, de
la habilidad de detectar fallas de sensor y advertir a usuarios de
fallas de comunicación, a una serie de aumentos de Relevo incluyendo
configuración de demoras de tiempo y la provisión de cancelación
manual.
Permanezca en contacto, los resultados de aplicar estas técnicas para
monitorear la turbina de Windflow se cubrirá en un artículo futuro.
REFERENCIAS
Reconocimientos de contribución significativa al contenido de este
artículo: Warwick Payne, Windflow Technology.
Geoff Henderson, Windflow Technology.
Lan
Le-Ngoc, Industrial Research Limited.
James McNames, Portland State University.
Prof X (confidential), el experto en cajas epicíclicas que llevo al
re-diseño.
Nigel Leigh, MSc (Physics,Hons) Es Director de Ingeniería de Diseño para
Instrumentos de Commtest Ltd. Cuenta con siete años de experiencia en el
diseño y fabricación del equipo de análisis de la vibración, tanto en
sistemas portátiles como conectados(on-line). Fue miembro del comité de
la Asociación de la Vibración de Nueva Zelanda (VANZ Vibration
Association of New Zealand) los últimos cuatro años. |
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