Resumen de A method for the very early detection of rotor-casing rub in aeroderivative gas turbines
Alejandro Silva Bernárdez
El correcto funcionamiento de máquinas rotativas como las turbomáquinas es clave en las muchas ramas de la Industria donde son empleadas. Durante las últimas décadas se ha incrementado la eficiencia y el rendimiento de estas máquinas gracias a la minimización de los pesos y dimensiones de sus componentes, a la reducción de los juegos entre rotor y estator, el uso de los materiales más novedosos con óptimas propiedades mecánicas y térmicas y la introducción de nuevas técnicas de lubricación y refrigeración. Sin embargo, este aumento del rendimiento de las máquinas lleva consigo unas reducciones potenciales de su fiabilidad, pues las nuevas tecnologías y diseños introducidos también las hacen más vulnerables a los fallos de funcionamiento. Una rotura en plena operación puede tener graves consecuencias económicas e incluso humanas. Todo ello justifica la adopción de programas de mantenimiento predictivo que permitan estimar la probabilidad de fallo de la máquina antes de que un agravamiento de su condición lleve o bien un parada de servicio de la máquina o bien un fallo catastrófico de la misma.
Uno de los fallos más comunes en maquinaria rotativa es el roce entre rotor y carcasa, causado por una combinación de vibración excesiva con la existencia de juegos reducidos entre rotor y carcasa debidos o bien a expansiones térmicas o bien a un ensamblado o un mantenimiento de la máquina deficiente. Este fenómeno causa desgaste y sobrecalentamiento de las superficies en contacto, y si no se detecta a tiempo puede ser altamente destructivo. En turbinas de gas y de vapor convencionales el roce es fácilmente detectable mediante las medidas recogidas por sensores de desplazamiento ensamblables entre rotor y carcasa; sin embargo, en máquinas como las turbinas aeroderivadas no se pueden montar sensores de desplazamiento debido a la falta de espacio de la máquina y a las rigideces tan altas de sus cojinetes. En esas turbinas de gas el único modo de monitorizar las vibraciones de la máquina para comprobar su estado es mediante acelerómetros montados sobre su carcasa. La resolución de los problemas asociados a la monitorización de fallos en turbinas de gas aeroderivadas tiene un gran interés industrial, pues son cada vez más usadas en campos como la generación de energía eléctrica de gran flexibilidad y en el transporte, compresión y procesado de productos químicos y gas.
El objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de una metodología de procesado de señales para la detección temprana de roces puntuales entre rotor y carcasa en turbinas de gas aeroderivadas con señales de acelerómetros en carcasa, casi siempre el único método factible para su monitorización. Esta metodología ha sido diseñada con la ayuda de un modelo matemático de una turbina de gas aeroderivada. Al integrar numéricamente las ecuaciones del modelo—obtenidas con el método de los elementos finitos—es posible simular la dinámica de una de estas máquinas tanto bajo la presencia de un roce puntual como en condiciones normales de operación. Las aceleraciones resultantes en la carcasa y los desplazamientos del rotor pueden ser entonces procesados como señales de sensores mediante un conjunto de métodos de análisis de señal. El procedimiento más adecuado para el análisis de las señales será aquél que consiga aislar las componentes de los datos que revelan la existencia de roces muy débiles en la máquina—es decir, precoces—en escalas de tiempo muy pequeñas y que se pueda implementar en tiempo real. La metodología de detección resultante que demuestra reunir estas características sobre los datos de roce simulado es entonces validada en un modelo experimental de un rotor con carcasa flexible equipado de donde se toman medidas tanto de aceleración como de desplazamiento, éstas últimas como validación de la metodología de detección en medidas de acelerómetros. Esta investigación concluye que la llamada 'transformada de ondícula con reasignación en frecuencia'—en inglés: Wavelet Synchrosqueezed Transform—, una variante de la transformada continua de ondícula con resolución en frecuencia mejorada, cumple con todos los requisitos que se le pide a la metodología de detección temprana de roces buscada. Además, la eficacia este método de post-procesado en comparación con los métodos tradicionales a nivel industrial es aún mayor cuándo las señales de aceleración están contaminadas con ruido.
