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Análisis de vibración de la caja de engranes de una turbina de Windflow

por Nigel Leigh, Commtest Ltd

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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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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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.

Series de tiempo de la limitación del torque – 22 de marzo del 2004

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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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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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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.

Figura 6

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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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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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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¡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).

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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!

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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?

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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.

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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.

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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).

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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.

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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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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.

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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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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.

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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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