Técnicas de inspección y diagnóstico avanzadas para un ventilador centrífugo tipo sirocco de doble aspiración

Resumen

RESUMEN (en español) Los trabajos experimentales dentro de la Mecánica de Fluidos se encuentran en la base de cualquier análisis o mejora de diseño actual y, en particular, esto es aplicable a cualquier aplicación de Ingeniería y, en particular, a las Máquinas de Fluidos. En realidad los trabajos experimentales ya estaban presentes en el origen de la Mecánica de Fluidos como ciencia, tanto en los primeros desarrollos, que se pueden referir a los trabajos de los filósofos griegos (Aristóteles, Galileo o Arquímedes) pasando por los trabajos de Leonardo da Vinci, o más modernamente a los estudios de Osborne Reynolds (Eckert [2006]). En lo que se refiere a los estudios en Máquinas de Fluidos y, en particular, en Turbomáquinas, los estudios tardaron más en empezar, pero observaron también una mayor progresión (Laskminarayana, [1996]). Probablemente, la referencia más temprana a la ventilación mecánica fue debida a Georgius Agricola en su libro “De Re Metallica” publicado en 1556. Se conocen diseños de ventiladores usados en minas de carbón que datan del siglo XVI. Sin embargo, hasta bien entrado el siglo XIX no se dispuso de la tecnología suficiente como para construir equipos industriales en funcionamiento. Desde su inicial uso en las minas de carbón, las aplicaciones de los ventiladores han ido creciendo tanto en rango como en especialización. Cory [1992] señala como definición de ventilador “aquella máquina rotativa con álabes, que recibe energía mecánica y la usa por medio de uno o más rodetes con álabes, de forma que impulsa a su través un flujo másico de aire (o gas) constante, sin que, normalmente, se superen los 25 kJ/kg de trabajo específico”. En esta tesis se muestra un trabajo experimental sobre un ventilador de pequeño tamaño tipo Sirocco, también denominado Jaula de Ardilla, de los utilizados habitualmente en los sistemas de climatización de vehículos de transporte colectivo. Este ventilador se encuentra disponible en el Laboratorio del Área de Mecánica de Fluidos de la Universidad de Oviedo, en Gijón. Dicho ventilador ha sido objeto de estudio durante los últimos años, dando lugar a una serie de publicaciones Nacionales e Internacionales, dos proyectos de investigación del Plan Nacional, así como otras tesis doctorales y otros trabajos en el ámbito universitario. En este caso, se ha realizado un estudio experimental avanzado basado en la aplicación de dos técnicas de análisis de señales en el dominio frecuencial: el POD y el SDP, acrónimos de los nombres en inglés de estas técnicas (Purified Orbit Diagram y el Symmetric Dot Pattern). Estas técnicas constituyen la base para un posible protocolo de mantenimiento para ventiladores de este tipo y dan lugar a sendos tipos de diagramas: orbitales y de puntos simétricos. El estudio se inicia a partir de las señales temporales obtenidas para el funcionamiento del mencionado utilizando sensores que miden la vibración transmitida a la carcasa del ventilador (acelerómetros) y tras realizar la FFT de dichas señales, aborda el análisis de los valores en el dominio de la frecuencia. Se aplican las técnicas POD y SPD a una serie de fallos típicos de este tipo de ventiladores y se obtienen los correspondientes diagramas orbitales y de puntos simétricos para el conjunto de situaciones y condiciones de flujo. Es decir, se realiza un estudio sistemático del ventilador para distintas condiciones de funcionamiento y para tres caudales distintos, elegidos dentro del rango de prestaciones del ventilador analizado. Como conclusiones más relevantes del estudio se han obtenido los rangos de aceleración presentes en las distintas situaciones analizadas según la técnica POD, comparándose de forma relativa los efectos de los distintos fallos, y se han podido mostrar los mapas de dichos fallos con la técnica SPD, para la que se han optimizado los parámetros de representación. Con ello, se ha completado el análisis de las señales medidas por los dos procedimientos. Adicionalmente, se han podido comparar los resultados obtenidos con las dos técnicas, llegándose a un análisis bastante completo del funcionamiento del ventilador. RESUMEN (en Inglés) The experimental studies are in the origin of the Fluid Mechanics as a modern discipline. This is valid for any flow analysis or design improvement and, particularly, it is applicable to Engineering and, more precisely, to the Fluid Machinery. Actually, the experimental studies were already in the dawn of the Fluid Mechanics as a science, either if one refers to the early developments, that may be considered back to the Greek Philosophers (Aristoteles, Galileo or Arquimedes) throughout the works by Leonardo Da Vinci, or to the more recent evolution settled down by Osborne Reynolds (Eckert [2006]). On the studies about Fluid Machinery and, particularly, on Turbomachinery applications, the studies were more recent, but however grew faster (Laskminarayana, [1996]). Probably, the earlier reference to the mechanical ventilation was made by Geogius Agricola in his book “De Re Metalica”, published in 1556. They were found fan system designs in carbon mines around XVIth century. However, it was not until the XIXth century that the available technology was enough to handle the design and building up of such industrial machines. From their initial use at the carbon mines, the fans applications have grown both in range and in specific performance. Cory [1992] points to the following as definition of the basic ventilation unit: “A fan is a rotary bladed machine which receives mechanical energy and utilizes it by means of one or more impellers fitted with blades to maintain a continuous flow of air or other gas passing through it and whose work per unit mass does not normally exceed 25 kJ/kg.” An experimental work on a small size Sirocco (or squirrel cage) fan is presented in this doctoral thesis. These units are often installed in the air conditioning systems of public transport means. The available fan is placed together with a fully equipped installation at the Fluid Mechanics Laboratory of the Universidad de Oviedo, in Gijón. The studied fan unit has been in the origin of a series of National and International papers, two research projects belonging to the National Program, some PhD theses and other related studies. In the work presented here, an advanced experimental study on the application of two different frequency analysis techniques has being carried out. The two used techniques are the POD (Purified Orbit Diagram) and the SDP (Symmetric Dot Pattern). These techniques provide two sets of results (orbit and symmetric dot diagrams) and would constitute the core for a possible maintenance protocol to be implemented in such kind of turbomachines. The study starting point are the time histories obtained for the different working conditions of the referred fan. Those, were previously obtained and measure the vibration of the fan casing as a function of the flow rate by means of two accelerometers conveniently placed to capture such vibrations signals in the horizontal and vertical directions. The first treatment consists of a classical FFT to transform the given signals into the frequency domain. Afterwards, two advanced signal techniques are applied, namely the POD and the SDP treatments. The referred techniques are applied to the baseline working range of the fan and also to a series of typical failures, artificially included in the fan. These were based on practical failures often reported in the standard life of such units and provide the feed to the two techniques, giving as an output a series of orbit diagrams and symmetric point graphs. In other words, a systematic analysis of the time histories for the baseline and several failure working conditions of the fan is performed for a whole range of flow rates. As more relevant conclusions, the ranges of possible variation for the involved variables have been obtained. Particularly, the acceleration ranges for the different working conditions and flow rates have been obtained. The comparison of the different orbit diagrams (POD) and symmetric point diagrams (SPD) can be done. For the latter technique, the representing parameters have been optimized. Besides the individual comparisons, a global comparison between the results of the two methods has been also performed and the fan’s behavior has been completed for a wide range of working conditions, fulfilling in such way the first step of a possible advanced maintenance protocol.