Desarrollo de método para cálculo de fuerzas en descansos de segmentos basculantes para simulaciones en modelos de rotor vertical.

Abstract

Las unidades generadoras de central es hidroeléctricas son turbomáquinas que convierten la energía mecánica del agua en trabajo mecánico y, posteriormente, en energía eléctrica a través de un generador. Estas máquinas son vitales para el funcionamiento de las redes de generación eléctrica, por lo que cualquier interrupción debido a una falla inesperada puede tener un impacto significativo tanto económico como en la seguridad del suministro. Por lo tanto, es crucial comprender su comportamiento dinámico, realizar un monitoreo de condiciones mediante el análisis de vibraciones y conocer el estado de la máquina para llevar a cabo las acciones de mantenimiento necesarias antes de que ocurra una falla.

En general, estas máquinas suelen estar montadas con un eje vertical, lo que dificulta su modelación dinámica. Esto se debe principalmente a que, a diferencia de la orientación horizontal, no existe una pre carga radial debida al peso que mantenga el rotor en una posición estacionaria. Por este motivo, se diseñan con descansos hidrodinámicos de segmentos basculantes.

Para llevar a cabo una simulación dinámica, es crucial incorporar de forma precisa el comportamiento de los descansos. Para los descansos de segmentos basculantes (Tilting Pad) que son los comúnmente utilizados en estas unidades generadoras, no existe en la literatura un modelo preciso para determinar las fuerzas que produce el fluido lubricante sobre el eje. Debido a esto, el objetivo principal de este trabajo fue desarrollar una metodología para calcular las fuerzas hidrodinámicas en este tipo de descanso, para luego incorporar la a un modelo dinámico de rotor.

En este estudio, se han formulado expresiones para calcular la fuerza hidrodinámica en los descansos con segmentos basculantes basado en la geometría y el comportamiento del fluido. Para ello, se desarrolló una fórmula para determinar el espesor de la película de aceite, el cual permite resolver la ecuación de Reynolds con mayor precisión. Además, se planteó un algoritmo mediante el uso del software MATLAB para determinar el movimiento de un rotor vertical, con el propósito de validar la metodología empleada en la determinación de las fuerzas hidrodinámicas en los descansos de segmentos basculantes. Este enfoque permitió obtener resultados consistentes y congruentes con los modelos actualmente descritos en la literatura.

Como trabajos futuros, se contempla la inclusión y validación de esta metodología en una unidad generadora real. Este proceso implica la comparación entre las simulación y casos reales medidos en la industria, lo que permitirá evaluar la precisión y la aplicabilidad práctica de la metodología desarrollada.

The generating units of hydroelectric power plants are turbomachines that convert the mechanical energy of water in to mechanical work and, subsequently,into electrical energy through a generator. These machines are vital for the operation of electrical generation networks, so any interruption due to an unexpected failure can have a significant impact both economically and on supply security. Therefore, it is crucial to understand their dynamic behavior,carry out condition monitoring through vibration analysis, and know the machine’s status to perform the necessary maintenance actions before a failure occurs.

Generally, these machines are often mounted with a vertical shaft, which complicates their dynamic modeling. This is mainly because,unlike horizontal orientation, there is no radial preload due to weight to keep the rotor in a stationary position. For this reason,they are designed with tilting pad hydrodynamic bearings.

To carry out accurate dynamic simulation, it is crucial to precisely incorporate the behavior of the bearings. For tilting pad bearings, which are commonly used in these generating units, there is no precise model in the literature to determine the forces exerted by the lubricating fluid on the shaft. Because of this, the main objective of this work was to develop a methodology to calculate the hydrodynamic forces in this type of bearing and then incorporate it into a rotor dynamic model.

In this study,expressions have been formulated to calculate the hydrodynamic force in tilting pad bearings based on geometry and fluid behavior. For this purpose, a formula was developed to determine the oil film thickness, which allows solving the Reynold sequation more accurately. Additionally, an algorithm was proposed using MATLAB software to determine the movement of a vertical rotor, with the purpose of validating the methodology used in determining the hydrodynamic forces in tilting pad bearings. This approach allowed obtaining consistent and congruent results with the models currently described in the literature.

As future work,the inclusion and validation of this methodology in a real generating unit are contemplated. This process involves comparing simulation results with real cases measured in the industry, which will allow evaluating the accuracy and practical applicability of the developed methodology.