---------------------------------------------- * Dr. Branko Bajic, Korto Germany, St.-Cajetan-Str. 18, 81669 Munich, Germany

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Também: c/o Sra. Laura Cabral, Korto Cavitation Services, Ponto de contato no Rio de Janeiro, Rua Araticum 910/110, Jacarepaguá, Rio de Janeiro – RJ, 22753-500; telefone/fax +55 21 3502 4675, celular +55 21 8266 4083, email riodejaneiro@korto.com, skype korto.cavitation.rio, messenger riodejaneiro@korto.com

Eletronorte, Brasília, 24 e 25 de novembro de 2008

MÉTODOS MULTIDIMENSIONAL E SIMPLES PARA DIAGNÓSTICO E MONITORAMENTO DE CAVITAÇÃO

Branko Bajic* Korto Cavitation Services Luxemburgo Resumo As consequências da erosão da cavitação são melhor avaliadas diretamente, durante uma revisão. Entretanto, a fim de descobrir quais pontos da operação da turbina causam maior erosão e esclarecer o papel que várias partes da turbina têm na cavitação, medições ou monitoramento vibro-acústico devem ser aplicados. Baseado no exemplo das grandes turbinas do tipo Francis na UHE Grand Coulee nos EUA, o método vibro-acústico multidimensional de diagnóstico e monitoramento da cavitação é apresentado e comparado com métodos simples. O papel dos testes da cavitação em modelo e em campo é discutido.

Palavras-chave: turbina, cavitação, monitoramento, vibro-acústico, método multidimensional

Multidimensional and Simple Methods for Cavitation Diagnostics and Monitoring

Summary Consequences of cavitation erosion are best assessed directly, during an overhaul. However, in order to find out from which operating points they stem and to clarify the role various turbine parts play in cavitation, one must apply vibro-acoustic measurements or monitoring. Based on the example of large Francis turbines at Grand Coulee HPP in the USA, the multidimensional vibro-acoustic method for cavitation diagnostics and monitoring is presented and is compared to simple methods. The role of model and prototype cavitation tests is discussed. Key words: turbine, cavitation, monitoring, vibro-acoustic, multidimensional method

2

1. Introdução Devido à forte dependência da cavitação dos finos detalhes da geometria da turbina, turbinas nominalmente idênticas, operadas em condições idênticas podem ter características da cavitação substancialmente diferentes. O fato de que os testes nos modelos não podem predizer estas diferenças da cavitação faz a inspeção no protótipo da turbina necessária. Enquanto o resultado da ação da cavitação na forma de erosão acumulada pode ser avaliado por uma inspeção direta em uma revisão, os testes em protótipo são necessários para descobrir a origem dos efeitos de deterioração: que pontos de operação contribuem mais, que partes da turbina causam os efeitos? Tais testes na forma de monitoramento permanente são necessários para seguir efeitos de envelhecimento e descobrir mudanças devido a incidentes. Cavitação em uma turbina protótipo não pode ser vista. Assim, o único método prático para executar testes ou o monitoramento da cavitação no protótipo é usar os sensores vibro-acústicos localizados apropriadamente em uma turbina a fim de escutar o ruído da cavitação ou avaliar suas consequências tais como vibrações das peças da turbina. Dependendo do número de sensores e os métodos usados para analisar os sinais que eles fornecem, duas classes de técnicas vibro-acústicas de diagnóstico e monitoramento da cavitação da turbina podem ser distinguidas: multidimensional e simples. Depois de uma curta revisão das questões físicas relevantes para o monitoramento da cavitação, a técnica multidimen-sional da Korto

1 é apresentada aqui, e é comparada com

duas técnicas simples, representadas pelo Modelo 7915 do Sistema de Monitoramento da Cavitação da Accusonic

2, e o

modelo AEM2000 de HRS3. Esta comparação é baseada

nos testes4 executados na Terceira Usina da Barragem

Grand Coulee (Fig. 1) do US Bureau of Reclamation.

Fig. 1 – Barragem Grand Coulee no rio Columbia em Washington, USA: 6809 MW de capacidade de geração instalada,

3x605 MW e 3x805 MW na Terceira Usina

1 Curta descrição:

International Water Power & Dam Construction Journal Mai 2001 www.waterpowermagazine.com/story.asp?storyCode=2006454 (imagens só na versão impressa) Fev 2003 www.korto.com/downloads/papers/Korto_Cavitation_diagnostics_and_monitoring_IWPDC_2003.pdf Nov 2004 www.korto.com/downloads/papers/Korto_Cavitation_monitoring_update_IWPDC_2004.pdf

Teoria introdutória: Journal of Fluids Engineering of the American Society of Mechanical Engineers Dez 2002 www.korto.com/downloads/papers/Korto_Multidimensional_diagnostics_J_Fluids_Eng_2002.pdf

Fundo físico: Journal of Hydraulic Research of the International Association of Hydraulic Engineering and Research, Jan 2003

www.korto.com/downloads/papers/Korto_Methods_for_vibro-acoustic_diagnostics_J_Hydr_Res_2003.pdf

Veja também: www.korto.com especialmente www.korto.com/Letter_PT.pdf

e www.korto.com/downloads/white_papers/Korto_Diagnostico_e_monitoriamento_da_cavitacao.pdf

2 Accusonic Technologies Inc., Falmouth, MA 02541, USA

3 Hydro Resources Solutions LLC (HRS), Norris, TN 37828; ou Voith Siemens Hydro, York, PA 17404; ou

Tennessee Valley Authority, Knoxville, TN 37902. Relatório sobre os resultados do uso em Grand Coulee: Wolff, P.J., Jones, R.K., and March, P., “Evaluation of Results from Acoustic Emissions-Based Cavitation Monitor, Grand Coulee Unit G-24, Cavitation Monitoring System Comparison Tests, Grand Coulee Project, Final Report”, Out 2005, www.wolffwareltd.com/downloads/Grand%20Coulee%20Cavitation%20Report.pdf

4 “Grand Coulee G-20, Multidimensional Cavitation Test, Comparison of Three Cavitation Monitoring Techniques”,

Relatorio Korto GC082103, Vol. 1 e 2, Mai 2008

3

2. Considerações físicas

2.1 Sensores Acelerômetros rápidos, sensores de emissões acústicas, transdutores rápidos de pressão e os hidrofones de banda larga podem ser usados para registrar a cavitação da turbina. Esses sensores podem ser instalados em vários lugares na turbina (Fig. 2). Pulsos isolados da cavitação ou a sua mistura na forma de ruído da cavitação podem ser registrados diretamente na água ou através da carcaça da turbina. O som na carcaça da turbina ou as vibrações da carcaça ou mancal também podem ser proveitosamente seguidos.

Fig. 2 – Sensores de cavitação na parede do tubo de sucção de uma unidade bulbo, porta de inspeção no tubo de sucção, eixo da palheta diretriz e o mancal de guia da turbina

Às vezes, são feitas tentativas baseadas em um único sensor. Em testes diagnósticos especialmente detalhados muitos sensores são aplicados (Fig. 3). Dependendo do princípio do funcionamento e da posição dos sensores, diferentes faixas de frequência e a velocidade da suas reações podem ser necessárias. Em casos típicos, o ruído da cavitação pode ser seguramente separado de outras fontes do ruído na faixa de frequência entre 1 ou 3 kHz e 1 ou 2 MHz.

Fig. 3 – Sensores de cavitação (vermelho) e outros sensores usados em um teste dinâmico detalhado de uma unidade bulbo

4

2.2 Dinâmica da cavitação Para evitar as piores consequências da cavitação, as hélices pesadamente carregadas atrás do casco volumoso de um navio são às vezes projetadas para funcionar em um fluxo com cavitação totalmente desenvolvida. Nada assim é praticado em turbinas hidráulicas. Aqui, a cavitação é evitada ou tornada fraca. Assim, uma turbina típica é operada perto do limite da cavitação. Como consequência, mudanças no fluxo atrás das palhetas diretrizes podem estimular ou afastar a cavitação nas pás rotoras enquanto estas estão girando. Isto resulta na situação ilustrada na Fig. 4.

Fig. 4 – Representação polar da dependência típica da intensidade da cavitação (coordenada radial)

na posição angular instantânea do rotor (coordenada angular)

Quanto à cavitação, numa turbina típica, não podem ser encontradas duas palhetas diretrizes ou duas pás rotoras iguais. Isto significa que, em vez de pensar sobre a cavitação total na turbina, V×B processos independentes da cavitação devem ser considerados nela, onde V e B são o número de paletas diretrizes e o número de pás rotoras, respectivamente.

2.3 Mecanismos da cavitação Na maioria dos casos, vários tipos de cavitação aparecem em uma turbina nas mesmas ou em diferentes condições de operação (Fig. 5). Também, o mesmo tipo de cavitação pode ser gerado em posições diferentes dentro da turbina. Como consequências das condições em segmentos diferentes de fluxo, tais mecanismos diferentes da cavitação são geralmente independentes e devem ser tratados como tal.

2.4 Dependência espacial Cavitação reage a diferenças muito pequenas no fluxo em segmentos diferentes da caixa espiral, mesmo aquelas que não causam mudanças no rendimento (Fig. 6). Muitas vezes, isto faz as variações espaciais da intensidade da cavitação em volta da turbina muito pronunciadas.

Fig. 5 – Três mecanismos da cavitação encontrados em uma turbina diferenciam-se

quanto ao limite da cavitação

Fig. 6 – Dependências como na Fig. 4 encontradas dentro de uma turbina Kaplan, distribuídas em 12 posições circunferenciais diferentes. A intensidade média da cavitação e as formas das curvas diferem substancialmente.

3

2

1

0

1

0

1

0

1

0

70 80 90 100

Potência relativa da turbina (%)

Intensidade

relativa da

cavitação

Total

Mechanismo 1

Mechanismo 2

Mechanismo 3

5

2.5 Agressividade erosiva Nenhum método vibro-acústico seguro foi encontrado até aqui para quantificar a agressividade erosiva da cavitação na turbina. A melhor aproximação desta tarefa, ilustrada no Fig. 7, parece ser o seguinte:

- Aplicar o método de diagnóstico

que distingue mecanismos da cavitação

- Usar os resultados sobre dependência das intensidades dos mecanismos do ponto de operação, dados sobre estatística da operação e os dados de teste em modelos disponíveis para concluir qual dos mecanismos é responsável pela erosão encontrada na revisão

- Usar uma relação conhecida entre a intensidade da cavitação erosiva e a taxa da erosão para transformar os dados sobre a dependência de intensidade da cavitação da operação deste mecanismo à dependência da taxa de erosão de parâmetros de operação.

3. Método multidimensional Como mostrado na Fig. 6, as estimativas desfavoráveis (non-biased) da intensidade da cavitação só podem ser obtidas se um número suficientemente alto de sensores, apropriadamente distribuídos sobre a turbina, for aplicado. Além disso, os detalhes das curvas tal como mostradas nas Fig. 4 e 6 devem ser esclarecidos para avaliar vários processos de cavitação relacionados aos pares de palhetas diretrizes/pás rotoras. Fazendo assim, os mecanismos diferentes de cavitação devem ser tratados separadamente. O método multidimensional próprio, desenvolvido e usado pela Korto, segue as linhas mencionadas acima. Na sua versão destinada para os testes diagnósticos em campo, o método consiste em adquirir sinais de todos os sensores em uma série densa de condições de operação e analisá-los por meio do software especial. Na versão destinada a monitoramento permanente, são usados um número reduzido de sensores e um algoritmo multidimensional baseado nos resultados de um teste introdutório de diagnóstico multidimensional. O método incorpora dois passos:

Análise que revela detalhes relacionados a todas as partes da turbina e todos os mecanismos da cavitação que

são resolvidos (um passo da análise é ilustrado no Fig. 8)

Síntese que combina estes dados e fornece descrições facilmente interpretáveis como - Característica da cavitação de cada par de palhetas diretrizes/pás rotoras - Característica da cavitação de cada pá rotora - Característica da cavitação de cada palheta diretriz - Característica global da cavitação da turbina

Cada uma destas características pode ser acessada separadamente para cada mecanismo da cavitação.

Em caso geral, considerando as palhetas diretrizes, sua influência na cavitação do rotor é considerada e não a cavitação das palhetas nelas mesmas.

Fig. 8 – “Chamas” representam traços da interação

entre palhetas diretrizes e pás rotoras

Posição instantânea do rotor

Fig. 7 – Um exemplo dos resultados de um teste multidimensional (Grand Coulee – unidade G-20) que mostra três mecanismos da cavitação, denotados como básico, carga baixa e carga alta. O mecanismo básico é encontrado por ser responsável pela erosão.

Potência

6

O método multidimensional resulta em:

(1) Uma estimativa desfavorável (non-biased) da intensidade total da cavitação na turbina (útil para otimização de operação, veja o exemplo na Fig. 9)

(2) Uma estimativa da erosão acumulada (útil para manutenção baseada na condição)

(3) Detecção de alta sensibilidade das mudanças do desempenho de cavitação devido a envelhecimento e incidentes

(4) Detalhes diagnósticos tais como dados sobre diferentes mecanismos da cavitação presentes em uma turbina bem como detalhes da qualidade de partes da turbina relatada à cavitação, a influência da caixa espiral (Fig. 10) (útil para medidas de melhoria da turbina e verificação dos seus resultados)

Fig. 9 – Estimativa da taxa da erosão derivada dos dados na Fig. 7 para a unidade G-20 da Grand Coulee .Uma suposição possivelmente incorreta sobre a agressividade da erosão dos três mecanismos causaria um erro de até 15 %.

Fig. 10 – Dependência espacial da intensidade da cavitação atrás da caixa

espiral – unidade G-20 da Grand Coulee

A otimização de operação com respeito à cavitação é mais

efetiva em caso de usinas com muitas unidades que não são

operadas o tempo todo na capacidade plena.

O exemplo apresentado na Fig. 11 mostra isto

claramente.

Fig. 11 – Os resultados do teste multidimensional da cavitação em seis unidades Francis de 48 MW na UHE Burfell, Islândia, mostram que as unidades se diferenciam muito quanto ao limite da cavitação e à intensidade da cavitação. Este é um exemplo da característica da cavitação da palheta diretriz, que mostra a intensidade da cavitação no rotor atrás de cada palheta diretriz em função da potência.

7

4. Comparação com métodos simples A maioria de métodos simples para o monitoramento da cavitação segue uma lógica direta, aplicada na maioria das outras medições na engenharia: usar um sensor conveniente para a quantidade a ser avaliada, estimar o valor médio ou o outro valor apropriado da quantidade detectada. Esses métodos são baseados em um sensor; eles negligenciam detalhes como os apresentados por curvas diferentes na Fig. 6. As consequências:

- Os resultados fornecidos por tais monitores de cavitação dependem fortemente da posição do sensor (cf. diferenças entre amplitudes de curvas diferentes na Fig. 6). Mesmo se as diferenças nos valores médios obtidos fossem compensadas pela calibração, as diferenças dos picos das curvas que descrevem interações de partes diferentes da turbina mostram que, para uma posição de sensor selecionada, alguns componentes da cavitação podem ser ocultos e outros podem ser superestimados. Assim, os resultados obtidos por um monitor com só um sensor podem ser não representativos e incorporar assim um grande erro de propenção (bias).

- Simples algoritmos de processamento de sinais usados nos monitores simples ignoram as informações como as incorporadas nas curvas da Fig. 6. Assim, tais monitores não podem fornecer dados detalhados da cavitação. Além disso, se eles fossem usados para fazer isto (de uma só curva da Fig. 6), os resultados poderiam estar errados.

Ao contrário disto, o método multidimensional usa dados fornecidos de sensores em muitas posições e processa sinais e dados de um modo complexo apropriado. Isto torna representativos os dados resultantes, exatos os valores médios da intensidade da cavitação e disponíveis e corretas as conclusões sobre detalhes. Nas duas figuras seguintes, a situação com o método multidimensional é comparada com as situações de dois monitores simples mencionados na Introdução:

- Um sensor em uma palheta diretriz selecionada, amplitude da modulação como resultado .... Accusonic (Fig. 12)

- Um sensor na parede do tubo de sucção, o valor RMS do sinal como resultado .... HRS (Fig. 13)

A Fig. 12 mostra como pobre e imprevisível podem ser os resultados baseados em um só sensor. Dependendo da localização do sensor, o valor da potência em que a avaliação da intensidade da cavitação alcança seu valor máximo varia em 50 MW ou 100 MW. Isto ilustra a situação com ambos os monitores simples. O monitor simples de HRS tem um problema mais: ele fornece um resultado paradoxal. No relatório de dois anos de uso (veja aqui rodapé 3), os valores da intensidade medida da cavitação foram interpretados como se eles estivessem representando a cavitação erosiva do rotor. Porém, na realidade, descrevem a cavitação nos vórtices livres no tubo de sucção, que não é erosiva neste caso. A conclusão sobre a cavitação alcançada dessa maneira, de que a erosão se desenvolve em potências abaixo de certos limites, estava errada (Fig. 13). Uma comparação dos monitores simples e multidimensional é recapitulada na tabela seguinte.

Simples Multidimensional

Número de sensores em um bom teste diagnóstico 1 1 por cada palheta diretriz Número de sensores num monitoramento permanente 1 tipicamente 8

Fig. 12 – Avaliação da cavitação por meio dos sensores nos eixos das 32 palhetas diretrizes na unidade G-20 da Grand Coulee. Enquanto no monitor multidimensional, todas as 32 curvas estão incorporadas nos resultados, somente uma curva (linha branca em negrito) é usada no monitor simples.

Fig. 13 – A previsão de erosão (vermelho) feita pelo monitor de HRS na unidade G-24

da Grand Coulee, recalculada por G-20, e previsão da Korto por G-20, feita pelo teste

multidimensional opõem-se um a outro.

8

Simples Multidimensional

Algoritmo de processamento de sinais e dados simples complexo Fornece a estimativa média da taxa de erosão sim sim Fornece a estimativa da erosão acumulada sim sim Representa todas as posições em uma turbina não sim Reconhece diferentes tipos de cavitação dificilmente sim Fornece detalhes diagnósticos (qualidade das pás rotoras, etc.) não sim Sensibilidade relativa de detecção dos efeitos de deterioração 1 80 Calibração de erosão a priori absoluta não não Precisão e confiança de resultados baixas altas

5. Testes em modelo vs. Testes em campo Em um típico teste da cavitação em modelo são obtidos muito menos dados úteis para a operação prática do protótipo do que pode ser obtido por um teste vibro-acústico multidimensional na usina (Fig.14).

Em alguns casos não podem ser vistos todos os tipos de cavitação em um teste em modelo. Todos podem ser ouvidos e avaliados em um bom teste vibro-acústico na usina.

Há fortes efeitos de escala na modelação da cavitação. Por isso é preferível avaliar a cavitação no protótipo, em teste de aceitação.

O desempenho da cavitação da turbina varia no tempo, o qual torna necessário o monitoramento permanente.

6. Conclusões O método multidimensional para testes diagnósticos e monitoramento da cavitação usa os sensores distribuídos sobre a turbina e um complexo processamento dos sinais e dados. Fornece estimativas confiáveis da intensidade da cavitação e fornece detalhes diagnósticos sobre cavitação. Isto pode ser usado para otimizar a operação da turbina e da usina pelo critério da erosão mínima, organizar a manutenção baseada na erosão acumulada e apontar as partes da turbina que podem ser melhoradas. Métodos simples de monitoramento, baseados em um sensor e simples processamento de sinal, podem fornecer estimativas de intensidade com um alto erro de propenção (bias). Eles ignoram a maior parte da informação contida em sinais vibro-acústicos e não mostram detalhes diagnósticos. Testes em modelos não podem substituir testes da cavitação em protótipos.

Vazão (m

3/s)

Queda líquida (m)

Fig. 14 – Resultados de: teste em modelo – pontos pretos, teste em protótipo – pontos vermelhos. Faixa de operação – verde. Dentre os 17 pontos de modelos, só dois descrevem a verdadeira situação na exploração, enquanto o teste em protótipo produz a descrição detalhada.