DETECCIÓN DE CAVITACIÓN EN UN GRUPO HIDROELÉCTRICO

Cristina Gonzalo de Luis1

M Angeles Gallego de Santiago1

Juan Miguel Herrero Marcos 1P

(1) CARTIF: Centro de Automatización, Robótica y Tecnologías de la Información y de la Fabricación

1 RESUMEN

Se exponen los resultados de un estudio sobre la detección de cavitación, en turbinas Francis. El enfoque utilizado se basa, por una parte en el desarrollo de las ecuaciones de la hidráulica, y por otro lado en las señales obtenidas de sensores colocados en los puntos críticos de aparición de la cavitación. Han sido necesarias una serie de pruebas para determinar el caudal instantáneo, el funcionamiento Colina que nos permita conocer los rendimientos de la instalación, y las pérdidas de carga para calcular la altura neta. Todo ello de cara a obtener un coeficiente de cavitación real, con el que identificaremos la situación de la central sobre su seguridad frente a la aparición de cavitaciones.

El método mostrado identifica diferentes niveles de seguridad con relación a una situación crítica, que alerta sobre un estado incipiente del problema.

Es posible la extrapolación del estudio a turbinas axiales (Kaplan), teniendo en cuenta sus particularidades geométricas y de funcionamiento.

2 INTRODUCCIÓN

La cavitación constituye un fenómeno universal de la hidráulica, afecta adversamente al funcionamiento de las Turbomáquinas Hidráulicas produciendo pérdidas en la potencia útil en las turbinas, disminuye el rendimiento de la instalación, aparecen vibraciones y ruidos, así como erosión en los materiales.

La detección de la cavitación puede ser una herramienta muy útil para optimizar la productividad, mejorando las prestaciones y reduciendo los costes de mantenimiento asociados a las reparaciones por cavitación.

Esta comunicación presenta los resultados obtenidos en el desarrollo de un sistema de detección de cavitación, que actualmente se está llevando a cabo en la central hidroeléctrica de Villalcampo I, propiedad de IBERDROLA, con tres grupos hidroeléctricos de turbina Francis.

En ella se encuentra instalado un sistema de mantenimiento predictivo con el que se está trabajando para su puesta en funcionamiento, de modo que nos proporcione información sobre los niveles de vibración, de diversas señales acústicas y cavitatorias, cuyo seguimiento determine el estado del sistema.

Próximamente, los resultados obtenidos serán adaptados a la central de Villalcampo II de hidráulica axial, turbinas Kaplan.

En el presente artículo se repasan algunos de los fundamentos de la cavitación, se describe el modelo utilizado, y se comentan los resultados obtenidos en turbinas Francis

3 DESCRIPCIÓN DE LA CAVITACIÓN

Generalidades sobre la cavitación

Consiste en la formación de vapor de agua a causa del descenso local de la presión por debajo de la de saturación del líquido a la temperatura del líquido, y condensación brusca subsiguiente.

Se puede decir que supone la ebullición del líquido a temperatura ambiente provocado por muy bajas presiones.

Existen multitud de factores que intervienen en la cavitación, entre ellos:

  • Cantidad de aire disuelto en el líquido.
  • Respuesta del material a la velocidad de erosión por cavitación y su acabado superficial.
  • Altura de aspiración de la instalación para un caudal Q, altura H y una velocidad específica ns .

En la cavitación se distinguen dos fases, la primera es la formación de cavernas o cavidades llenas de vapor en el interior del líquido que son arrastradas por la corriente, junto al contorno del sólido en contacto con el líquido, y la segunda, en que la presión exterior a la cavidad es superior a la presión del vapor, y las bolsas colapsan violentamente, condensándose casi instantáneamente y martilleando las partículas de líquido la pared sólida con elevada frecuencia que puede alcanzar valores instantáneos de 1470bar.

El material queda sometido a elevados esfuerzos que lo erosionan, esto a su vez acelera la cavitación al acelerarse localmente el líquido en dichas irregularidades.

Tipos de cavitación

Se distinguen dos tipos de cavitación:

  • Cavitación en burbuja transitoria: Las burbujas aparecen repentinamente sobre el contorno del cuerpo sólido sumergido en el líquido, que crecen en extensión y desaparecen.
  • Cavitación estacionaria o laminar: Las burbujas se forman en el contorno del cuerpo y permanecen sobre él, mientras no varían las causas productoras.

Dónde se produce la cavitación en turbinas Francis?

Puede ocurrir en cualquier punto de la máquina donde la presión baje hasta un determinado valor (Ps, presión de saturación), aunque hay una serie de zonas propicias donde es más fácil su aparición, como aquellas donde hay una aceleración súbita cerca de una superficie curva.

Las burbujas liberadas en la región de baja presión viajan a lo largo del álabe o de la superficie junto con el líquido que fluye hasta que llegan a un área relativamente de alta presión, donde la presión local excede con mucho la presión del vapor, se comprimen y se colapsan súbitamente debido a la más alta presión, o se condensan o retornan al líquido.

En turbinas de flujo radial, la cavitación puede presentarse en la superficie de los álabes, tanto entre la punta del álabe y la cámara espiral que es de tipo laminar, como en la mitad de la cuerda del mismo, que es de tipo de burbuja o transitoria.

Esta última, viene asociada con el espesor del álabe, de modo que su importancia no es tan grande en Turbomáquinas de flujo axial.

Además, a la salida del rodete se pueden desprender vórtices en el cubo, que causan altas vibraciones y niveles de ruido, a la entrada del tubo de aspiración.

4 INSTRUMENTACIÓN

Los sensores colocados en la turbina para desarrollar el estudio son sondas de presión, barómetros e hidrófonos. Como puede observarse en la Fig.: 1, por cada grupo (el representado es el grupo1 por la notación de los sensores) hay dos sondas de presión absolutas, una en la cámara espiral V1G1TUR-SP1, y otra en el tubo de aspiración V1G1TUR-SP2, además de un hidrófono, también en el tubo de aspiración, en la cota 555,44m de la central.


Las señales de estos sensores son registradas en el sistema Compass, programa de monitorizado que se ejecuta bajo Unix, de la casa Brüel&Kjaer.



Para cada sensor se han habilitado las medidas adecuadas, así, la medida elegida para las sondas de presión es un filtro dc que reproduce la situación estática. El sistema Compass lo define como el valor de la señal promedio por debajo de 6,5Hz. Para los hidrófonos, con un rango de frecuencias entre 0,1Hz y 100KHz, se utilizan medidas espectrales en diferentes bandas, que ofrecen los niveles de ruido en el interior del tubo de aspiración.

Un ejemplo de los espectros obtenidos para el hidrófono se representa en la siguiente figura:

 

 

 

 

 

 

Figura n2:Espectro del hidrófono en la banda 0-1000Hz

5 MODELO

Se pretende detectar el proceso incipiente de la cavitación; para ello se utiliza en hidráulica un factor muy útil denominado Coeficiente de Cavitación o Parámetro de Thoma, s. Este parámetro se relaciona con la potencia W, salto neto Hn y caudal Q de la central. Por lo tanto el coeficiente varía constantemente y la existencia o no de cavitación se determina por comparación con un coeficiente crítico de cavitación obtenido a partir de fórmulas experimentales para turbinas Francis.

No se dispone de toda esta información, por lo que parámetros como el caudal instantáneo o el salto neto, ha sido necesario obtenerlos mediante ensayos experimentales, en función de la potencia y del salto bruto.

El caudal , responde a la siguiente ecuación de primer orden:

: salto neto.

Otras aproximaciones han sido necesarias como el cálculo de la altura de pérdidas de los diferentes tramos de la instalación. Estas se determinan a partir de la Fórmula de Darcy desarrollada para conductos circulares :

Donde:

f: coeficiente de fricción, DH: diámetro hidráulico, L: longitud característica

Esta fórmula se aplica a los distintos tramos: tubería forzada, distribuidor, rodete y difusor.

Puede expresarse en función del caudal aplicando la Ecuación de Continuidad:

De todos los ensayos para la medida del rendimiento de la turbina en la central se deduce que el orden del factor k es de 10-5, e igual a:

Conocida la altura de pérdidas y el salto bruto, por diferencia se obtiene el salto neto HN.

Se determina el coeficiente de cavitación por aplicación de la Ecuación de Bernoulli entre la salida del rodete o entrada al tubo de aspiración y el nivel del embalse aguas abajo, o cota de tajamares.

Se define como:

Pb: presión barométrica

P2: presión promedio a la salida del rodete o entrada en el tubo de aspiración.

HN: altura neta de la instalación

HS: altura de aspiración

La altura de aspiración en Villalcampo 1 es negativa porque el nivel de la salida del rodete cae por debajo del de tajamares, y será la altura delimitada por las cotas de entrada al tubo de aspiración y cota de tajamares.

La presión barométrica se obtiene a partir de un barómetro instalado en la central.

A fin de evitar la cavitación, es necesario que dado por la ecuación:

Donde:

Ps : presión de saturación a la temperatura del líquido o presión de cavitación en la entrada del tubo de aspiración.

Hs max : altura estática máxima a la que puede colocarse la turbina por encima del nivel de tajamares.

sc : coeficiente crítico de cavitación.

Éste último se determina de forma sencilla mediante las fórmulas de Moody y Zowski para turbinas Francis:

Donde ns es la velocidad específica de la turbina obtenida a partir del caudal y de la altura útil.

Conocido el coeficiente crítico de cavitación y la presión de saturación a la temperatura del líquido, puede calcularse la máxima altura de aspiración Hs max, de la instalación que no debe superarse en ningún momento.

Para cada situación, conocida la presión P2, la altura útil y la altura de aspiración, podemos calcular el coeficiente de cavitación correspondiente y compararlo con el crítico.

6 RESULTADOS EN TURBINAS FRANCIS Y CONCLUSIONES

Se ha establecido la siguiente relación entre la cota de tajamares y el factor de seguridad entre ambos coeficientes (s/sc).

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura n3:Comparación de coeficientes

Puede observarse en el gráfico que la altura de tajamares condiciona en gran medida la seguridad ante la cavitación: a medida que la cota disminuye es más fácil que ese produzca este fenómeno.

 

 

 

 

 

 

Se ha realizado un seguimiento de todas las variables que intervienen en el proceso, la potencia, el caudal, el salto neto, el rendimiento, el factor de seguridad de la cavitación y la vibración global obtenida del hidrófono situado en el tubo de aspiración.

De esta información se puede deducir, que cuando el grupo se encuentra fuera de la zona de peligro para la cavitación, única zona conocida hasta el momento, el nivel de vibración aumenta a medida que también lo hace el factor de seguridad, lo cual corrobora conclusiones anteriores sobre la relación entre el nivel de vibración y la potencia generada.

Faltaría por estudiar cual sería la relación de todos estos parámetros en las proximidades de la cavitación donde es de suponer que el nivel de vibración se dispare.

7 REFERENCIAS

    1. P. MARCH, K. JONES. Presented at Waterpower 91, Denver,CO.
    2. "Laboratory and Field Experience with Cavitation Monitoring of Hydroturbines". July 1991.

    3. Claudio Mataix. "Turbomáquinas Hidráulicas".1993.
    4. D.W. MORTON and P.A. ABBOT. OASIS Technical Memorandum n 15. "Acoustic Emission Cavitation Tests on a Model Francis Runner at the Voith Hydraulic Laboratory". 1991.
    5. P.L. TÍMÁR, A. FAZEKAS, J.KISS, A. MIKLÓS, S.J.YANG. Edited by P.L. TÍMÁR. "Noise and Vibration of Electrical Machines". 1989.

8 CORRESPONDENCIA

CRISTINA GONZALO DE LUIS

CARTIF:Centro de Automatización, Robótica, Tecnologías de la Información y de la Fabricación.

Parque Tecnológico de Boecillo, Parc. 205, 47151-Boecillo (Valladolid)

Tfno: 983-546504

Fax: 983-546521

e-mail: crigon@cartif.es