Teste modal em pás de turbina hidráulica

TIWAG, um importante operador austríaco de centrais elétricas, solicitou assistência para validar uma turbina hidráulica redesenhada. Devido ao desgaste e aos repetidos recondicionamentos dos rotores, a TIWAG decidiu adquirir novos rotores. As verificações de resistência exigidas, incluindo uma análise modal numérica, já haviam sido realizadas pelo fabricante antes da medição. A Dewesoft forneceu uma solução eficaz em campo para a validação rápida dos parâmetros modais da turbina - e para guardar os dados como prova em caso de problemas futuros.

TIWAG é o principal fornecedor de serviços de energia na região ocidental dos Alpes austríacos, Tirol. A empresa instala e mantém centrais hidroelétricas. Além da energia hidrelétrica, também produz eletricidade ecologicamente correta a partir de fontes de energia renováveis domésticas, como fotovoltaica e biomassa.

O problema

Este grande operador austríaco de centrais elétricas pediu nossa ajuda para validar um modelo redesenhado de turbina hidráulica, que estava atualmente em serviço numa outra empresa especializada na fabricação de turbinas.

A turbina redesenhada é do tipo Pelton - um projeto relativamente simples. Um grande disco circular montado num eixo rotativo conhecido como rotor. No disco existem caçapas em forma de concha, conhecidas como "buckets", espaçadas uniformemente ao redor de toda a roda. Bicos então introduzem jatos de água nas caçapas e fazem a turbina girar.

Neste caso, o disco tem um diâmetro de aproximadamente 4 metros e pesa 10 toneladas. Tem 23 caçapas em forma de colher, acionadas por seis bicos de água com cerca de 120 bar, funciona a uma velocidade nominal de 500 rpm e gera uma potência de 250 MW.

Os engenheiros da TIWAG precisavam de uma solução para validar as características modais do novo projeto da turbina com um formato de caçapa modificado. Essa modificação tem o objetivo de garantir a margem de segurança exigida de 10 Hz entre as frequências de excitação resultantes da operação da máquina e as frequências naturais críticas das caçapas. Além disso, os novos runners foram fresados a partir de discos forjados, enquanto os antigos eram fundidos. Isso deve resultar em variações reduzidas nas frequências naturais das caçapas.

Dewesoft ofereceu uma solução de campo eficaz para validar a ensaio modal e análise da concepção das caçapas da turbina - e salvando os dados como evidência em caso de problemas futuros.

Configuração da solução

Hardware

• Dewesoft SIRIUSi personalizado com 2xACC, 2xACC+, 2xHV, 2xMULTI - sistema de aquisição de dados isolado de 8 canais com interface USB2

• Endevco 2302-100 (scaling: 22,7 mV/N) - martelo modal 

• PCB 352A56 (scaling: 99,3 mV/g) - sensor de aceleração 

Software

• DewesoftX - software de aquisição de dados de teste e medição para gravação, processamento de sinais e visualização de dados

• DewesoftX-DSA - pacote de software incluindo a opção de ensaio modal, OPT-MODAL-TEST. 

Ensaios modais

Neste caso, consideramos o teste por percussão ou ensaio modal experimental a forma adequada de ensaio. Este método tem a vantagem de exigir apenas um equipamento mínimo - apenas um martelo roving ou de impacto e um sensor são necessários. 

Após um golpe de martelo de teste, verificou‑se que as frequências naturais das 23 palhetas do rotor rondavam os 780 Hz. Devido à precisão de fabrico da turbina, elas situavam‑se muito próximas umas das outras, e a fase virou múltiplas vezes numa faixa de frequência estreita. 

A escolha da taxa de amostragem (5000 Hz) e da resolução de linhas (8192 linhas, df = 0,305 Hz) foi o aspeto mais crítico. Foi necessário conciliar ambos os parâmetros, tendo também em vista o tempo de medição resultante de cada impacto. Não devia ser demasiado longo.

A resolução de frequência aplicada exigiu a aquisição de uma quantidade considerável de dados e um tempo de medição relativamente longo para calcular uma FFT (t = 1 / df = 1 / 0,305 Hz = 3,28 s). Como a estrutura maciça de aço tem baixo amortecimento, o som ressonante após cada martelada durava vários segundos antes de desaparecer. Assim, deixar tempo suficiente entre os impactos do martelo também era importante.

O modelo de geometria

No Modal Geometry Editor do software, simplificámos a palheta para uma forma 2D com oito pontos de impacto alinhados na aresta superior. Para uma visualização e sombreamento adequados do movimento, ligámos esses pontos por linhas, usando algumas formas de três pontos entre eles.

O acelerómetro foi montado no ponto nº 8 enquanto deslocávamos os golpes do martelo pelos pontos 1 a 8. Fizemos três golpes de martelo em cada ponto de medição para obter um resultado médio válido. E para cada palheta criámos um novo ficheiro de dados.

Ecrã de medição

A visualização na figura 6 é gerada automaticamente por defeito assim que a medição começa. O ecrã de medição permite a validação em linha dos sinais de excitação e de resposta no domínio do tempo e da frequência — para identificar rapidamente impactos duplos e repeti‑los, e para ver a função de transferência e a coerência.

O software marca o ponto actualmente medido a vermelho. A geometria pode ser rotacionada em 3D com o rato, e estão disponíveis várias opções de visualização, como vista superior, lateral, ortogonal e a forma de fundo não deformada.

Análise modal

Com as medições concluídas, mudámos para o ecrã predefinido “Modal test - Analysis” para estudar todas as funções de transferência — as amplitudes e as fases num diagrama de Bode. Quando a fase gira 180 graus e a amplitude está no máximo, isto indica uma ressonância.

Frequência e amortecimento

O espectro mostrou muitas ressonâncias numa banda estreita — na figura 7 ampliámos de 750 a 800 Hz. Na altura, estávamos principalmente interessados no nosso primeiro modo, em torno dos 780 Hz. Neste caso, a escala linear do eixo y facilita a identificação do pico dominante.

O círculo modal ofereceu a opção de obter resultados mais precisos do nosso ensaio modal experimental. Ele interpola entre as linhas da FFT. A animação da estrutura abaixo mostra de forma clara a forma do primeiro modo — movimento para cima/baixo da palheta e a estrutura não deformada em cor cinzento-claro. Note o baixo fator de amortecimento devido à estrutura maciça de aço.

Conclusão

A medição em todas as 23 palhetas mostrou uma frequência média de ressonância de 782,5 ± 3,9 Hz. A medição de cada palheta individual permitiu identificar aquelas que poderão requerer retrabalho para alcançar a margem de segurança exigida face às frequências de excitação da máquina (“desintonização” por remoção de material, por exemplo, por rectificação). O processo de medição completo, incluindo a montagem, durou apenas cerca de 2 horas, e a TIWAG está ansiosa por utilizar esta solução simples no seu dia a dia.

“O porta‑bagagens do nosso veículo estava sempre carregado com equipamento e cabos quando usávamos o sistema de medição anterior”, relatam os técnicos de medição da TIWAG. “O sistema Dewesoft é uma solução muito mais compacta e robusta. E agora concluímos os testes em menos tempo — e com muito prazer!”