Análise dinâmica de mancais radiais para suporte ao monitoramento da saúde estrutural de hidrogeradores de grande porte

Abstract

Resumo: O monitoramento da condição baseado na análise de vibrações é a aplicação mais bem-sucedida do monitoramento da saúde estrutural em máquinas rotativas. A técnica é amplamente utilizada nos diversos ramos da indústria, quase sempre com uma abordagem baseada no reconhecimento de padrões. O advento de um defeito é detectado e diagnosticado, ainda em estágio incipiente, pela análise da alteração do comportamento vibratório típico da máquina. A taxa de sucesso dessa abordagem é mais elevada em máquinas rotativas padronizadas, produzidas em larga escala. Hidrogeradores de grande porte são máquinas verticais de baixa rotação, dotadas de mancais hidrodinâmicos de segmentos oscilantes, produzidas em quantidades reduzidas e sob medida, para atender as características específicas da usina hidrelétrica em que serão instaladas. Essas particularidades, somadas à importância estratégica intrínseca dos hidrogeradores de grande porte, justificam uma análise mais aprofundada no monitoramento da saúde estrutural dessas máquinas. Outros fatores acentuam essa necessidade, como comprovam as observações experimentais realizadas no conjunto de 20 hidrogeradores de 700 MW da UHE Itaipu, em operação há mais de três décadas. Inúmeras das observações que foram analisadas no presente estudo mostram que o comportamento vibratório de hidrogeradores saudáveis pode sofrer alterações significativas, repentinas e imprevisíveis, perturbando ou dificultando a aplicação das técnicas usuais do monitoramento da saúde estrutural baseado na análise de vibrações. Essas alterações são originadas principalmente por mudanças nas condições operativas dos mancais radiais, causadas por agentes externos como o campo eletromagnético do gerador, a temperatura da água do rio e o empuxo hidráulico da turbina. Tais alterações podem gerar discrepâncias entre as predições teóricas e a análise experimental do comportamento dinâmico de hidrogeradores, originando incertezas em parâmetros importantes como os coeficientes de amortecimento e de rigidez dos mancais. Os próprios modelos computacionais utilizados para avaliar o comportamento dinâmico dos hidrogeradores são colocados sob suspeita. Nesse contexto, o presente trabalho desenvolve e apresenta alguns modelos matemáticos para apoiar o monitoramento da saúde estrutural baseado na análise de vibrações. Dentre os modelos citados destacam-se: (a) um modelo hidrodinâmico para a determinação das rigidezes de mancais de segmentos oscilantes; (b) um modelo de dois graus de liberdade para a estimativa experimental dessas rigidezes; e (c) um modelo de dez graus de liberdade para a análise do comportamento dinâmico de hidrogeradores, em condições normais de operação ou na presença dos defeitos mais frequentes. A aplicação dos modelos desenvolvidos aos hidrogeradores da UHE Itaipu apresentou resultados satisfatórios, mostrando o acerto da proposta.

Abstract: Vibration-based condition monitoring is the most successful application of structural health monitoring to rotating machines. This technique is widely applied in several branches of the industry, almost always using an approach based on pattern recognition. The advent of a damage is detected and diagnosed, still in an incipient stage, by the analysis of the changing of the typical vibratory behavior of the machine. The success of this approach is higher in standard rotating machinery, produced on a large scale. Large-sized hydrogenerators are low-speed vertical rotating machines, equipped with tilting-pad journal bearings and tailor-made in small quantities to fulfill the specific requirements of the power plant where they will be installed. These particularities, added to the intrinsic strategic importance of large-sized hydrogenerators, justify the necessity of a more careful analysis in the structural health monitoring of these machines. Other factors emphasize this necessity, as demonstrated by the experimental observations achieved in a set of twenty 700 MW hydrogenerators of Itaipu Power Plant, in operation for more than three decades. Several observations analyzed in this investigation indicate that the vibratory behavior of healthy hydrogenerators can undergo significant, sudden and unpredictable changes, disturbing or making it difficult to apply the usual techniques of vibration monitoring. These changes are originated mainly by variations in the operating conditions of the radial bearings, caused by external agents such as the electromagnetic field of the generator, the temperature of the river water and the hydraulic pull of the turbine. These changes may generate discrepancies between the theoretical predictions and the experimental analysis of the dynamic behavior of hydrogenerators, creating uncertainties in important parameters like bearing stiffness and damping coefficients. Even the computational models used to evaluate hydrogenerators dynamic behavior are placed under suspicion. In this context, this work develops and presents some mathematical models to assist vibration-based structural health monitoring. Among the mentioned models the following are emphasized: (a) a hydrodynamic model for determining the stiffnesses of tilting-pad journal bearings; (b) a two degrees of freedom model for the experimental estimation of these stiffnesses; and (c) a ten degrees of freedom model for the analysis of the dynamic behavior of hydrogenerators, under normal operating conditions or in the presence of the most frequent damages. The application of the developed models to the hydrogenerators of Itaipu Power Plant has presented satisfactory results, showing the correctness of the proposal.