Usura sul cuscinetto di una turbina idraulica

Il Service Team di PRÜFTECHNIK Alignment Systems ha affrontato un caso interessante verificatosi in una centrale idroelettrica ad alta pressione sul fiume Isar. Era stato individuato un danno evidente ai cuscinetti della turbina e nel generatore associato e a PRÜFTECHNIK era stato chiesto di individuarne le cause.

La centrale idroelettrica, commissionata nel 1924, sfrutta una differenza di altezza di 26 m, nel canale centrale dell'Isar, per generare elettricità tramite quattro turbine da 9 MW poste in verticale. In questa centrale il generatore si trova sopra la turbina ed è connesso tramite un cuscinetto montato su un albero verticale (Figura 1).

Le acque che si accumulano nel canale Isar sopra la centrale scorrono da sud. Di seguito in questo report, il termine "a monte" sarà usato per indicare questo flusso e il termine "a valle" indicherà il flusso che va dalla centrale verso nord. I termini "est" ed "ovest" verranno usati in senso proprio per indicare l'est e l'ovest.

Usura irregolare sui cuscinetti

Nel corso di una revisione pianificata, sono state rinvenute tracce di usura irregolare sia sul cuscinetto della turbina che sul cuscinetto inferiore del generatore. L'usura su quest'ultimo si trova sul lato a monte, quella sulla turbina invece sul lato a valle (Figura 2).

La squadra degli operatori di revisione ha condotto un test con un filo a piombo sul cuscinetto, dal lato superiore del generatore, che ha indicato un disallineamento evidente di 2 mm a valle dei cuscinetti; quindi l'operatore della centrale ha contattato PRÜFTECHNIK Alignment Systems per effettuare una misurazione laser e confermare i risultati del test.

Il Service Team di PRÜFTECHNIK ha effettuato le misurazioni in due fasi.

Elevata accuratezza con il sistema di misurazione laser

Nella prima fase è stato controllato l'allineamento dei cuscinetti usando il sistema di misurazione CENTRALIGN. Questo dispositivo misura l'allineamento reciproco di fori e cuscinetti con un elevato grado di accuratezza.

Inizialmente il laser del sistema è stato montato sul cuscinetto superiore del generatore tramite una staffa magnetica (Figura 3). Il sensore, montato su una guida, è fissato al cuscinetto da misurare tramite una speciale staffa a rapido montaggio, in modo tale da permetterne la rotazione (Figura 4).

La misurazione è stata effettuata campionando diversi punti su due piani di misurazione per ogni cuscinetto. Il laser ha agito semplicemente da linea di riferimento per il sensore. Quest'ultimo ha successivamente trasmesso i dati di misurazione all'unità di controllo del CENTRALIGN Ultra. Oltre all'allineamento reciproco è stata calcolata anche l'inclinazione di ogni singolo cuscinetto.

Il sistema di misurazione ROTALIGN Ultra è in grado di realizzare misurazioni accurate da 1-2/100 mm per un metro di sezione misurata. I cuscinetti dell'asse superiore del generatore hanno un forte impatto sulla posizione verticale dell'albero. Qualsiasi errore angolare in questo cuscinetto influenzerà il movimento radiale del cuscinetto. È quindi essenziale che il suo supporto sia allineato.

Nella seconda fase del processo di misurazione il Service Team di PRÜFTECHNIK ha verificato il livello usando uno strumento ad alta precisione: il sistema di misurazione dell'angolarità INCLINEO (Figura 5). INCLINEO è in grado di misurare sia superfici assolute che relative, e può farlo, tramite un involucro che ruota sia in orizzontale che in verticale. La flangia del cuscinetto assiale superiore è stata usata per determinare il profilo della superficie. Sebbene la flangia stessa, dal diametro di 1,6 m, fosse relativamente a livello, questa mostrava comunque un'inclinazione di 2/10 mm sul lato a monte.

Usura diffusa derivante dal disallineamento del cuscinetto

Contestualmente alle misurazioni dell'allineamento del cuscinetto, il tracciato del movimento dell'albero ha rappresentato un buon indicatore dell'usura diffusa sui cuscinetti. Si presentavano ben allineati in senso est-ovest, ma risultavano disallineati lungo l'asse nord-sud: il cuscinetto del generatore inferiore, in particolare, presentava uno scarto di 0.3 mm verso valle. Questo spiegava il contatto con l'albero e l'aumento dell'usura sul lato a monte del cuscinetto.

Un tracciato simile si può vedere sul cuscinetto della turbina. In questo caso lo scarto era di 0.15 mm verso monte. Questo corrisponde alle tracce di usura sul cuscinetto della turbina inferiore che si concentra soprattutto nella parte a valle del cuscinetto. I risultati hanno dunque confermato i sospetti iniziali dell'operatore della centrale secondo cui l'usura irregolare riscontrata sui cuscinetti era dovuta a una qualche forma di disallineamento. I rapporti, inoltre, hanno rappresentato un buon punto di partenza per le azioni successive.

Il cuscinetto del generatore inferiore è stato corretto di 0.3 mm verso monte e il cuscinetto assiale superiore è stato livellato di 2/10 mm.

Un'ulteriore misurazione dell'allineamento del cuscinetto ha permesso al Service Team di PRÜFTECHNIK di usare il nuovo sistema ROTALIGN Ultra Hydropower per misurare i cuscinetti di un albero verticale (l'albero di azionamento fra la turbina e il generatore). Nel frattempo, i due segmenti di 4 m della linea d'asse esistente erano stati riassemblati.

I test d'impatto iniziale hanno avuto risultati positivi, non essendo state riscontrate vibrazioni significative né nella turbina né nel generatore. Il riallineamento dei cuscinetti aveva ovviamente prodotto i risultati sperati. È stato comunque interessante notare come i due segmenti di albero fossero reciprocamente posizionati, per poter controllare la correzione del canale del cuscinetto. Se si fosse riscontrato un disallineamento, l'albero si sarebbe inclinato.

La squadra voleva anche identificare la posizione dell'albero in relazione alla perpendicolare. I metodi convenzionali, quali l'uso del filo a piombo, in questo caso non sono efficaci.

In condizioni ottimali, questo strumento di controllo può raggiungere un livello di accuratezza di 0.5 mm/m approssimativamente: un livello considerato insufficiente. In questo caso entra in gioco il sistema di misura ROTALIGN Ultra Hydropower: il sistema comprende la potente piattaforma ROTALIGN Ultra e lo strumento di misura dell'inclinazione ad alta precisione INCLINEO.

INCLINEO è un inclinometro elettronico ad alta precisione che registra valori da meno di 0.01 mm/m che vengono poi trasmessi wireless a ROTALIGN Ultra per essere visualizzati e analizzati.

Il processo di misurazione: come con gli altri strumenti PRÜFTECHNIK, ROTALIGN Ultra Hydropower effettua le misurazioni in tre fasi. Una volta impostati i sensori, le dimensioni delle sezioni da misurare vengono inserite nell'unità di controllo. Il passo successivo è la misurazione, e la misura dell'inclinazione è basata sul tipo di trasmissione. Su ciascun punto delle facce opposte dell'albero vengono effettuate due misurazioni, ed esistono due modi per farlo:

• Se l'albero è rotante, INCLINEO viene fissato all'albero e ruotano insieme (misurazione circolare);
• Se l'albero non è rotante, INCLINEO viene fissato in successione su due posizioni esattamente opposte sull'albero (misurazione statica).

Le misurazioni sono effettuate su ciascun segmento di albero almeno per ognuna delle quattro direzioni (est, ovest, valle e monte). In questo caso, l'albero nella stazione idroelettrica era rotante e INCLINEO è stato fissato ai segmenti di albero con una piastra magnetica.

Due misurazioni circolari sono state effettuate per ogni segmento di albero per controllare la riproducibilità delle misurazioni.

La fase finale: i risultati delle misurazioni

ROTALIGN Ultra Hydropower ha dimostrato che la posizione dei segmenti dell'albero mostrava una differenza di 3/100 su una lunghezza di segmento di 4 metri: un valore dunque molto basso. Ciò prova che a questo punto i cuscinetti sono ben posizionati. Dall'esame della perpendicolare risulta una compensazione di 0.65 mm lungo tutti gli 8 metri di lunghezza dell'albero a valle  e verso ovest. Se necessario, l'allineamento perpendicolare dell'albero può essere migliorato aggiustandolo sul cuscinetto reggispinta superiore. In ogni caso, secondo l'operatore, questo valore non interferisce con l'operatività della turbina, piuttosto è l'allineamento dei due segmenti dell'albero che è importante. La linea dell'asse stessa e il cuscinetto sono accuratamente e reciprocamente allineati. Il danno del cuscinetto sul generatore inferiore e sulla turbina è ormai superato. Con il nuovo ROTALIGN Ultra Hydropower il cliente ha a disposizione un sistema di misurazione ad elevata precisione, veloce e in grado di determinare la posizione relativa degli alberi verticali assicurando la loro perpendicolarità senza usare la linea visuale.