Modelo de rotor vertical con descansos hidrodinámicos.

Abstract

En las centrales hidroeléctricas la operación confiable de las unidades generadoras es un tema de suma importancia. Estas deben generar energía durante largos periodos de tiempo y en forma continua, para de este modo satisfacer la demanda eléctrica. Una detención no programada ocasionada por una falla inesperada conlleva costos económicos elevados. Por esta razón es necesario conocer la condición mecánica de las unidades sin la necesidad de detenerlas, y para ello es fundamental comprender en ´ detalle el comportamiento dinámico de estas máquinas. Los elementos relevantes para modelar el ´ comportamiento dinámico son los rotores de la turbina y el generador, el eje de la unidad, y los ´ descansos. Dado el nivel de carga, los descansos de turbinas hidráulicas de mediana y alta potencia ´ son de tipo hidrodinámico. Además, la mayoría de las unidades sobre 20 MW de potencia tienen una configuración de rotor vertical. En la literatura se han mostrado principalmente modelos para descansos hidrodinámicos operando en rotores horizontales, en los cuales el peso del rotor es la fuerza más importante en magnitud y brinda estabilidad al descanso al mantenerlo cargado en una dirección fija. Sin embargo, en configuraciones de rotor vertical los descansos radiales no soportan la carga unidireccional debido al peso del rotor, sino que soportan una carga rotatoria asociada principalmente al desbalanceamiento del rotor. Es por ello que es de interés formular un modelo matemático que ´ simule el comportamiento dinámico del descanso bajo las condiciones particulares que presenta el ´ rotor vertical. El objetivo principal de este informe de tesis es plantear un modelo que caracterice el comportamiento de un descanso hidrodinámico horizontal y vertical sometido a fuerzas dinámicas y que opera en condiciones tanto estacionarias como transientes e implementarlo en un modelo de rotor vertical que represente la dinámica de una unidad generadora. ´ La metodología empleada para alcanzar este objetivo consiste en plantear la ecuación que gobierna el comportamiento del fluido en un descanso hidrodinámico y resolverla para encontrar la fuerza ´que ejerce el fluido del descanso sobre el rotor. Luego se plantean las ecuaciones del movimiento, las cuales incluyen la fuerza del desbalanceamiento del rotor, la fuerza del fluido y una fuerza de dirección´ y magnitud constante (que en el caso de descanso horizontal corresponde al peso del rotor y que para el caso de descanso vertical es igual a cero). Las ecuaciones del movimiento son resueltas mediante un programa desarrollado en MATLAB. Como resultado se obtiene la trayectoria del eje, su velocidad y aceleración de traslación bajo distintas condiciones de operación: ya sea variando la velocidad de rotación , el nivel de carga o el grado de desbalanceamiento. El modelo es aplicado a casos de la literatura, y luego se aplica a un caso de estudio en que se analiza la condición mecánica de una unidad generadora. Se concluye que el modelo planteado en este trabajo refleja en forma adecuada los resultados numéricos y experimentales de diversos autores, mediante estos resultados el modelo queda validado. Además´ al aplicarse a un caso real de estudio, se obtienen resultados satisfactorios con respecto a las mediciones realizadas en terreno, incluso en un caso en que los huelgos radiales de los patines eran no uniformes. Se simularon y compararon las trayectorias de los descansos en una condición de operación estacionaria y con una potencia conectada de 25 MW. Con estos resultados se calculó una diferencia máxima de 13 % en la amplitud de la órbita obtenida con respecto a los resultados medidos en terreno.