Anàlisi dels efectes del dany en el comportament vibratori d’una turbina Pelton en operació

Abstract

En aquest estudi s’examina l’impacte del dany estructural en el comportament vibratori causat pel trencament de dues culleres en una turbina Pelton en funcionament, amb la finalitat d’iden- tificar indicadors fiables que facilitin la seva detecció mitjançant càlculs de variables rellevants, a través de MATLAB. Les turbines Pelton, exposades a elevades velocitats de jets d’aigua i a càrregues cícliques intensives, són particularment susceptibles a processos de degradació per fatiga, fet que pot posar en perill tant la seva eficiència com la seva integritat estructural. L’estudi es fonamenta en l’anàlisi comparativa de diversos estats de salut de la turbina, des d’una condició de funcionament ideal fins a fases on dues de les seves culleres s’han trencat. A partir de senyals vibratoris reals mesurats en diverses fases de degradació, s’ha dut a terme una anàlisi en els dominis del temps, de la freqüència i del temps-freqüència, calculant variables rellevants i aplicant la Fast Fourier Transform (FFT) per obtenir l’espectre freqüencial dels diferents senyals, que s’han segmentat en bandes espectrals i s’ha calculat el seu valor Root Mean Square (RMS). Paral·lelament, s’ha realitzat un estudi modal numèric mitjançant el mètode dels elements finits amb l’objectiu d’identificar les freqüències pròpies i les formes modals associades a la turbina, tant en perfecte estat com amb dany a les culleres. Aquest estudi vol relacionar les freqüèn- cies naturals de la turbina obtingudes amb el mètode dels elements finits amb les freqüències observades a la realitat. Quan el dany es manifesta, el comportament del senyal vibratori es veu alterat de manera apre- ciable en l’estudi temporal. Determinats paràmetres obtinguts mostren una evolució coherent amb el progrés del dany i poden considerar-se indicadors representatius, mentre que altres pa- ràmetres no presenten una relació clara amb aquest procés. A més, en l’espectre freqüencial, en determinades bandes espectrals, es pot veure clarament un augment del seu valor RMS, a mesura que es trenquen les culleres. Algunes d’aquestes bandes tenen relació amb freqüències importants de la turbina, però també apareixen bandes inesperades. Pel que fa a l’estudi numèric, aquest ha resultat especialment útil per analitzar la manera com s’excita una turbina Pelton, permetent observar que la representació dels modes vibratoris simu- lats és coherent amb el comportament esperat segons la teoria. Tanmateix, la principal limitació de l’anàlisi es troba en la dificultat d’establir una correlació directa amb les dades obtingudes mitjançant MATLAB, ja que resulta complex associar de manera exacta els modes vibratoris concrets amb les components identificades en l’estudi en el domini de la freqüència. Finalment, el treball posa de manifest el potencial de les tècniques d’anàlisi vibratòria combina- des amb estudis modals com a eina de diagnosi per a la fatiga de les turbines Pelton, contribuint al desenvolupament d’estratègies de manteniment predictiu i a la millora de la fiabilitat i vida útil d’aquest tipus de turbomàquines en centrals hidroelèctriques.