Comprensión del remolino de vapor en turbomáquinas

Dispositivos

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Sensor de vibración

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Dispositivos

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Definición: ¿Qué es Steam Whirl?

remolino de vapor (también llamada inestabilidad de acoplamiento cruzado aerodinámico o remolino de sello) es una vibración autoexcitada Fenómeno que ocurre en turbinas de vapor y turbinas de gas cuando las fuerzas aerodinámicas en sellos laberínticos, holguras de puntas de álabes u otros pasajes anulares crean fuerzas tangenciales desestabilizadoras en la rotor. Como remolino de aceite En los cojinetes hidrodinámicos, el remolino de vapor es una forma de inestabilidad del rotor donde la energía se extrae continuamente del flujo constante de vapor o gas y se convierte en movimiento vibracional.

El remolino de vapor generalmente se manifiesta como un movimiento subsincrónico de alta amplitud. vibración a una frecuencia cercana a la del rotor frecuencias naturales, y puede conducir a un fallo catastrófico si no se detecta y corrige rápidamente.

Mecanismo físico

Cómo se desarrolla el remolino de vapor

El mecanismo implica dinámica de fluidos en los estrechos espacios libres de los sellos de la turbina:

1. Espacios libres del sello laberíntico

• El vapor o el gas fluyen a través de estrechos pasajes anulares entre los componentes del sello giratorios y estacionarios.
• Diferencial de alta presión entre sellos (a menudo 50-200 bar)
• Holguras radiales estrechas (normalmente entre 0,2 y 0,5 mm)
• El vapor se arremolina a medida que fluye a través de los dientes del sello.

2. Acoplamiento cruzado aerodinámico

Cuando el rotor se desplaza del centro:

• El espacio libre se vuelve asimétrico (más pequeño en un lado, más grande en el lado opuesto)
• El flujo de vapor y la distribución de la presión se vuelven no uniformes
• La fuerza aerodinámica neta tiene un componente tangencial (perpendicular al desplazamiento)
• Esta fuerza tangencial actúa como una “rigidez negativa” desestabilizadora.”

3. Vibración autoexcitada

• La fuerza tangencial hace que el rotor orbite
• Frecuencia de órbita típicamente cercana a una frecuencia natural (subsincrónica)
• Energía extraída continuamente del flujo de vapor para mantener la vibración
• La amplitud crece hasta verse limitada por espacios libres o fallas catastróficas.

Condiciones que favorecen el remolino de vapor

Factores geométricos

• Espacios libres para sellos herméticos: Las distancias más pequeñas crean fuerzas aerodinámicas más fuertes
• Longitudes de sello largas: Más dientes de sello o secciones de sello más largas aumentan las fuerzas desestabilizadoras
• Alta velocidad de remolino: Vapor que entra en sellos con un componente de velocidad tangencial alto
• Diámetros de sello grandes: Un radio mayor amplifica el momento de las fuerzas aerodinámicas

Condiciones de funcionamiento

• Diferenciales de alta presión: Una mayor caída de presión a través de los sellos aumenta las fuerzas
• Alta velocidad del rotor: Los efectos centrífugos y la velocidad del remolino aumentan con la velocidad.
• Amortiguación de cojinetes bajos: Una amortiguación insuficiente no puede contrarrestar las fuerzas desestabilizadoras del sello.
• Condiciones de carga ligera: Las cargas bajas en los cojinetes reducen la amortiguación efectiva

Características del rotor

• Rotores flexibles: Operando arriba velocidades críticas más susceptibles
• Sistemas de baja amortiguación: Amortiguación mínima estructural o de cojinetes
• Alta relación longitud-diámetro: Los rotores delgados son más propensos a la inestabilidad

Características diagnósticas

Firma de vibración

El remolino de vapor produce patrones distintivos identificables a través de análisis de vibraciones:

Parámetro	Característica
Frecuencia	Subsincrónico, normalmente de 0,3 a 0,6 veces la velocidad de funcionamiento, a menudo se bloquea en la frecuencia natural
Amplitud	Vibración de desequilibrio alta, a menudo de 5 a 20 veces la normal
Comienzo	Velocidad o presión repentina por encima del umbral
Dependencia de la velocidad	La frecuencia puede bloquearse y no seguir los cambios de velocidad
Órbita	Gran precesión hacia adelante, circular o elíptica
Espectro	Pico subsincrónico dominante

Diferenciación de otras inestabilidades

• vs. Remolino de aceite/Látigo: El remolino de vapor se produce en turbinas con sellos laberínticos; el remolino de aceite en cojinetes lisos.
• vs. Desequilibrio: El remolino de vapor es subsincrónico; el desequilibrio es 1× sincrónico
• vs. Rub: El remolino de vapor puede ocurrir sin contacto; la frecuencia es más estable que la vibración inducida por el roce.

Métodos de prevención y mitigación

Modificaciones del diseño del sello

1. Dispositivos antirremolinos (frenos de remolino)

• Paletas estacionarias o deflectores aguas arriba de los sellos
• Eliminar el componente de velocidad tangencial del flujo de vapor
• Reducir significativamente las fuerzas de acoplamiento cruzado
• La solución más eficaz y común

2. Sellos de panal

• Reemplace las superficies lisas del sello laberíntico con una estructura de panal
• Crea turbulencia que disipa la energía del remolino.
• Aumenta la amortiguación efectiva en la región del sello.
• Utilizado en turbinas de gas modernas

3. Mayor espacio libre entre sellos

• Las holguras radiales mayores reducen las fuerzas aerodinámicas
• Desventaja: reduce la eficiencia de la turbina debido al aumento de fugas
• Generalmente se utiliza sólo como medida temporal.

4. Sellos del amortiguador

• Diseños de sellos especializados que proporcionan amortiguación mientras sellan
• Sellos de amortiguador de bolsillo, sellos con patrón de orificios
• Añadir fuerzas estabilizadoras para contrarrestar el acoplamiento cruzado

Mejoras en el sistema de cojinetes

• Aumentar la amortiguación de los cojinetes: Utilice cojinetes de apoyo basculantes o añada amortiguadores de película de compresión
• Precarga del rodamiento: Aumenta la rigidez y la amortiguación efectivas.
• Diseño de rodamiento optimizado: Seleccione el tipo de rodamiento y la configuración para lograr la máxima estabilidad

Controles operativos

• Restricciones de velocidad: Limite las velocidades de operación por debajo del umbral de inestabilidad
• Gestión de carga: Evite el funcionamiento con carga ligera que reduce la amortiguación del cojinete
• Control de presión: Reducir los diferenciales de presión del sello cuando sea posible
• Monitoreo continuo: Monitoreo de vibraciones en tiempo real con alarmas subsincrónicas

Detección y respuesta a emergencias

Señales de alerta temprana

• Pequeños picos subsincrónicos que aparecen en el espectro de vibración
• Componentes intermitentes de alta frecuencia
• Aumento gradual del nivel general de vibración a medida que la velocidad se acerca al umbral
• Cambios en órbita forma

Acciones inmediatas cuando se detecta un remolino de vapor

1. Reducir la velocidad: Disminuya inmediatamente la velocidad por debajo del umbral
2. No te demores: La amplitud puede crecer de aceptable a destructiva en 30-60 segundos.
3. Parada de emergencia: Si la reducción es insuficiente o no es posible
4. Evento de documento: Registrar velocidad al inicio, frecuencia, amplitud máxima, condiciones
5. No reiniciar: Hasta que se identifique y corrija la causa raíz

Industrias y aplicaciones

El remolino de vapor es de especial preocupación en:

• Generación de energía: Grandes generadores de turbinas de vapor
• Petroquímico: Compresores y bombas accionados por vapor
• Turbinas de gas: Motores de aeronaves, turbinas de gas industriales
• Industrias de proceso: Cualquier turbomáquina de alta velocidad con sellos laberínticos

Relación con otros fenómenos

• Remolino de aceite: Mecanismo similar pero con películas de aceite en lugar de sellos.
• Látigo de eje: Bloqueo de frecuencia en frecuencia natural, comportamiento similar
• Inestabilidad del rotor: El remolino de vapor es un tipo de inestabilidad del rotor autoexcitado.

El remolino de vapor sigue siendo un factor importante en el diseño y la operación de turbinas modernas. Si bien los avances en la tecnología de sellos y sistemas de cojinetes han reducido su incidencia, comprender este fenómeno es esencial para los ingenieros y operadores que trabajan con turbomáquinas de alta velocidad y alta presión.

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