Análisis de vibraciones mecánicas de las estructuras de lubricación y control de un ...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

Análisis de vibraciones mecánicas de

las estructuras de lubricación y control

de un turbogenerador de 15 MW

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN

CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA
PRESENTA:
ING. FERNANDO RIVERA PEREZ

DIRECTOR: DR. VALERY ROMANOVICH NOSSOV

DR. JOSE ANGEL ORTEGA HERRERA.

México, Agosto 2010

I P N
NSTITUTO OLITÉCNICO ACIONAL
SECRETARIA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO

CARTA CESIÓN DE DERECHOS

En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 03 del mes de Agosto del año 2010 el que
suscribe FERNANDO RIVERA PEREZ alumno del Programa de MAESTRIA EN
CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA con número de registro A080123, adscrito a
la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Unidad Zacatenco,
manifiesta que es autor intelectual del presente Trabajo de Tesis bajo la dirección del DR.
VALERY ROMANOVICH NOSSOV Y DR. JOSE ANGEL LODEGARIO ORTEGA
HERRERA y cede los derechos del trabajo intitulado: “ANÁLISIS DE VIBRACIONES
DE LAS ESTRUCTURAS DE LUBRICACION Y CONTROL DE UN
TURBOGENERADOR DE 15 MW”, al Instituto Politécnico Nacional para su difusión,
con fines académicos y de investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos
del trabajo sin el permiso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido
escribiendo a la siguiente dirección: [email protected]
Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la
fuente del mismo.

FERNANDO RIVERA PEREZ
AGRADECIMIENTOS

El autor desea agradecer al departamento de Servicios y Energía de la Cervecería Modelo,
S.A de C.V. Por su apoyo Incondicional para el termino de mis estudios de Maestría, en
especial al Ing. Miguel A. Fragoso, Ing. Luis A. Quiñones, Ing. Rogelio Franco, Ing. Edgar
Alejandro Peréa e Ing. Miguel Olguín Méndez por la oportunidad que se me dio para
concluir los estudios de maestría.
Un agradecimiento a la Gerencia General y al Ing. Montoya por la motivación que nos
muestra para continuar nuestros estudios para nuestro desarrollo profesional.
Al igual no quiero dejar pasar sin hacer un reconocimiento a los departamentos de Recursos
Humanos y Capacitación en especial al Lic. Pablo León y Lic. Miguel Ángel Vergara. Por
sus sabios consejos durante mis estudios de Maestría.
A mis compañeros de trabajo a todos un caluroso agradecimiento en especial a Félix
Hernández, Miguel A. Plata, José Luis Fernández, David Escamilla, Roberto Valencia,
Miguel García, Juan Morales, Martin García, Edgar García, Jorge Ramírez, Ascensión
Flores, Alejandro Pérez, Mauricio Castro, Omar Hernández, Javier Acosta, Eduardo
Rangel, Jesús Rubio y José Luis Palafox por su conocimientos que me enseñaron y
capacitaron para realizar cada día mejor mi trabajo.

A mis padres por estar conmigo en todo momento apoyándome para continuar con sus
enseñanzas, valores y la educación que me inculcaron. Lo más importante su apoyo
incondicional para la realización de mis estudios de maestría, en especial para ti mamá te
dedico este trabajo con todo mi amor y mi corazón por creer en tu hijo.
A mis amigos de ESIME- Zacatenco por apoyarme en mis estudios en especial a Omar
Hernández, Carlos Trejo y Luis Horta Aceves.

A mi primo M. en C. Carlos Rivera Guevara

Mis Hermanos Dr. Jaime Rivera, Bio. Hugo Rivera, Roberto Rivera y Norma Rivera.
AGRADECIMIENTOS

Deseo expresar mi más sincero agradecimiento a las personas que de alguna forma me han
brindado su ayuda en la elaboración del presente trabajo: al Dr. José Ángel Ortega Herrera,
Dr. NOSSOV VALERY a quienes me han tratado con honestidad y siempre sabio con los

consejos para la realización de la obra durante todos mis estudios de posgrado.
En especial un recuerdo muy especial y unas felicitaciones por el esfuerzo realizado a mi
familia a mi esposa M en A. Verónica Huerta Velázquez,. Mis hijos Brenda Rivera
Huerta y Diego Rivera Huerta.
INDICE

INDICE
INDICE I
NOMENCLATURA V
INDICE DE TABLAS VI
INDICE DE FIGURAS IX
RESUMEN XIV
ABSTRAC XV
INTRODUCCION XVI

CAPITULO 1

ESTADO DEL ARTE

Página

1.1 Breve historia de los problemas de resonancia en el mundo 1
1.2 Vibraciones por flujo 2

1.3 Experimentos para el flujo de vibración en el mundo 3
1.4. Metodología para encontrar el flujo de vibraciones 6
1.5 Vibraciones inducidas por flujo 7
1.6 Descripción del análisis 8
1.7 Normatividad 10

1.7.1 Normativa de carácter nacional 11
1.7.2 Normas sobre la severidad de las vibraciones mecánicas 12
1.7.3 Carta de Rathbone 13

CAPITULO 2.

MONITOREO DE VIBRACIONES Y
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2.1 Identificación del equipo para el monitoreo de vibraciones mecánicas 16
2.2 Vibración simple 18
2.3 Vibración compuesta 21
2.4 Vibración aleatoria y golpeteos intermitentes 21
2.5 Transformada de Fourier 22
2.6 Estudios realizados de vibraciones mecánicas 25
2.6.1 Arreglo anterior de válvula de alivio y puntos de monitoreo de las tuberías
de aceite 25

I
INDICE

2.6.2 Análisis de colección de datos de vibración para la bomba principal de
aceite y tuberías 26
2.6.3 Análisis gráfico 26

2.7 Inspección por análisis de vibraciones 30
2.7.1 Análisis de espectro fft 31
2.7.2 Análisis de forma de onda, en dominio del tiempo 33
2.7.3 Frecuencias naturales de las tuberías de salida del aceite de la bomba 34
2.7.4 Impulsos de choque producidos por la bomba 35
2.7.5 Vibraciones producidas por la bomba solo en el rango de frecuencias
naturales 35
2.7.6 Actividades a realizar 36

2.8 Herramientas para detectar frecuencia natural 37
2.8.1 Oscilación 37
2.8.2 Frecuencia natural 37
2.8.3 Resonancia: su diagnostico 38
2.8.4 Ensayo de frecuencia natural 39

2.9 Resultados con la carta de Rathbone 39

2.10 Planteamiento del problema 41

CAPITULO 3.

ANALISIS DINAMICO DE LA LINEA DE ACEITE DE CONTROL Y
LUBRICACION (VARIACION DE FLUJO) EN LAS ESTRUCTURAS

3.1 metodología 42

3.2 causas de la vibración alrededor de la tubería de aceite 44
3.2.1 análisis de la vibración alrededor de la tubería de aceite por cada causa
posible de vibración 45
3.2.2 vibración anormal alrededor de la tubería de la bomba principal de aceite 45
3.2.3 Análisis de la vibración de la tubería 46
3.2.4 Análisis de equipo auxiliar instalado en la trayectoria de la tubería 47
3.2.5 Análisis del diseño 48

3.3 Definición del sistema 49
3.3.1. Descripción de la tubería aceite de succión y descarga 50

3.4 Análisis hidráulico unidimensional 54
3.4.1 Premisas (fundamentos) 54

3.5 Simulación de la tubería de descarga 56

II
INDICE

3.6 Simulación de la tubería de succión 62

3.7 Análisis de resultados 65

3.8 Análisis hidráulico bidimensional con generación de vibraciones a condiciones
subsónicas 67
3.8.1 Sistema de descarga con la válvula reguladora de presión abierta al 100% 70
3.8.2 Sistema de descarga con la válvula reguladora de presión abierta al 85% 71
3.8.3 Comportamiento del aceite en el interior de la tubería 74
3.8.4 Análisis del sistema con una tubería de descarga de 8 in. 77
3.8.5 Análisis hidráulico en la válvula de seguridad-alivio 78
3.8.6 Análisis hidráulico en la válvula de seguridad-alivio en conjunto con la
tubería de succión y descarga 79
3.8.7 Análisis hidráulico en el sistema de succión de la bomba 81
3.8.8 Análisis de resultados 83
3.9 Recomendaciones para la operación de los equipos. 84
3.10. Resultados sobre las recomendaciones realizadas por personal de MITSUBISHI
Heavy Industries, Ltd. 89
3.10.1. Orden de servicio no. ss06-485 del día 8 de noviembre del 2006. 89
3.10.2. Orden de servicio no. yps07-0197 del 30 de mayo del 2007. 90
3.11 Conclusiones y recomendaciones 92

CAPITULO 4

ANÁLISIS ESTÁTICO DE LA LÍNEA DE ACEITE DE CONTROL Y
LUBRICACIÓN (FLEXIBILIDAD) EN LAS ESTRUCTURAS
.
4.1 Modelo de elementos finitos 94
4.1.1 Formulación de las ecuaciones de navier-stokes 96
4.1.1.1 Espacio de funciones de prueba 96
4.1.1.2 Espacio de funciones de peso 97
4.1.2 Ecuaciones de navier-stokes en coordenadas cartesianas 98
4.1.3 Ecuaciones de navier-stokes en coordenadas cilíndricas 99

III
INDICE

4.2 Análisis estático de la tubería de succión y descarga de aceite 100
4.2.1 Tipos de soportería 101
4.2.2 Análisis estático a la tubería de succión de la bomba principal
de aceite 102
4.2.3 esfuerzos 103
4.2.4 premisas para el análisis de esfuerzos 103
4.2.5 el cálculo del esfuerzo basado en ASME b31.1 104
4.3 Análisis estático 105
4.3.1 La deformación térmica 105
4.4 Resultados 107
4.4.1. Análisis de resultados de la tubería de succión de la bomba de
aceite de los turbogeneradores. 107
4.4.2 Resultados de esfuerzo y desplazamientos en tubería de succión
de la bomba principal por medio de la simulación 110
4.4.3. Análisis de resultados de la tubería de descarga de la bomba de
aceite de los turbogeneradores. 112
4.4.4 Resultados de esfuerzo y desplazamientos por medio de la simulación
en tubería de descarga de la bomba principal 115

CAPITULO 5

ANALISIS MODAL DE FRECUENCIAS Y
RESONANCIAS EN LAS ESTRUCTURAS

5.1 Análisis de interacción fluido estructura 118

5.2 Análisis de resonancia 119
5.2.1 Ecuaciones que aplican y condiciones de frontera 120

5.3 frecuencia natural y resonancias 121
5.3.1 Análisis espectral 122
5.3.2 Resonancias y pulsaciones 123

5.4 Metodología 124
5.4.1 Frecuencias naturales 125
5.4.2 Frecuencias de excitación 127
5.4.3 Resultados obtenidos por el software ALGOR en la tubería de 129
descarga de aceite de control y lubricación

IV
INDICE

5.4.4 Análisis de la tubería de succión y descarga por frecuencias de
excitación 131

5.5. Evaluación a la línea de succión considerando la soportería propuesta por
MITSUBISHI 133
5.5.1 Frecuencias naturales en la tubería de succión de aceite 134
5.5.2 Análisis de resultados de la tubería de succión 136

5.6 Evaluación a la línea de descarga considerando la soportería propuesta por
MITSUBISHI (juntas de expansión) 137
5.6.1 Resultados de esfuerzos y desplazamientos 137

5.6.2 Frecuencias naturales en la tubería de descarga de aceite 139

5.6.3 Arreglo propuesto sin juntas de expansión (cálculo de frecuencias
naturales) 140

5.6.4 arreglo propuesto con una junta de expansión (cálculo de frecuencias
naturales) 142
5.6.5 arreglo propuesto con dos juntas de expansión (cálculo de frecuencias
naturales) 144

CAPITULO 6

PROPUESTAS DE SOLUCION AL PROBLEMA DE VIBRACION

6.1 Solución al problema 146
6.2 Propuestas de solución 153

CAPITULO 7

CONCLUSIONES

7.1 Conclusiones del proyecto de investigación 154

BIBLIOGRAFIA 157

REFERENCIAS 159

V