Analisi sperimentale delle sollecitazioni sul motore elettrogeno diesel di emergenza in una centrale elettronucleare

Le centrali elettronucleari si affidano a gruppi elettrogeni diesel di emergenza per la loro affidabilità, dovuta ai molti anni di sviluppo come unità di propulsione navale. Quali gruppi di emergenza, essi devono essere pronti ad operare in pochi secondi, e poi girare a velocità costante, per azionare il generatore direttamente accoppiato.

Il problema

Le centrali elettronucleari si affidano a gruppi elettrogeni diesel di emergenza per la loro affidabilità, dovuta ai molti anni di sviluppo come unità di propulsione navale. Quali gruppi di emergenza, essi devono essere pronti ad operare in pochi secondi, e poi girare a velocità costante, per azionare il generatore direttamente accoppiato. 

Quando uno di questi motori diesel di emergenza (20 cilindri, uscita di 5 MW) fu sottoposto alla revisione annuale, fu scoperta un'asta di spinta difettosa sia nell'attuatore della valvola di scarico che in quello della valvola di aspirazione. Un guasto simile si era verificato alcuni anni prima ed era stato giudicato un guasto unico occasionale.

L'asta di spinta è un pezzo di tubo cilindrico lungo 750 mm, con entrambe le estremità di forma sferica. Esso è montato in modo flessibile nel semiguscio fra la leva della valvola ed il braccio del bilanciere. Per consentire all'asta di spinta di muoversi agevolmente nel semiguscio, essa viene permanentemente lubrificata dalla leva della valvola.

La questione del perché un componente soggetto solo a carico di compressione fosse stato danneggiato da vibrazioni flessionali, fu posta la prima volta che si verificò il guasto. L'azione allora intrapresa per prevenire la ricorrenza del guasto fu di provare le punterie di uscita radiale, essendo stata presunta come causa la sollecitazione di ingobbimento dovuta al fatto che l'asta era stretta e non perfettamente diritta. Dopo di ché vennero usate solo punterie con tolleranza concentrica di uscita inferiore a 0,1 mm. La ricorrenza del guasto significava che ora era necessaria una spiegazione più consona.
Il guasto (frattura della punteria) avveniva più o meno nel centro della punteria. Le indagini metallurgiche evidenziarono l'elevato numero dei cicli di carico vibrazionale come causa del guasto.

In un motore a quattro tempi, l'albero a camme ruota a metà della velocità. A 1500 giri/minuto ciò significa l'eccitazione dinamica della punteria ad una frequenza di ripetizione di 12,5 Hz. Il costruttore dichiara una frequenza flessionale naturale di oltre 100 Hz, troppo lontana per provocare la risonanza.

Il programma di misura 

Il problema ha condotto alla seguente procedura sperimentale:

1. Stabilire la frequenza naturale della punteria. La frequenza naturale era definita mediante eccitazione a forma di impulsi a 115 Hz. Questo valore si accordava bene alla derivazione analitica della frequenza flessionale naturale.
2. Preparazione di due provini con estensimetri elettrici (ER) e misurazione del carico a vari livelli di potenza quando il motore diesel inizia ad essere in linea.

La seguente figura mostra una sezione del meccanismo delle valvole e la posizione dei singoli estensimetri:

Prima vengono sotto elencate le informazioni importanti sulla tecnologia di misura:

• Montaggio delle punterie strumentate con estensimetri, durante la revisione
• Passaggio dei cavi del segnale attraverso i coperchi delle valvole opportunamente predisposti
• Estensimetri a mezzo ponte supplementari all'esterno del meccanismo delle valvole
• Collegamento di un amplificatore a frequenza portante 
• Aggiunta dei parametri operativi della potenza e della velocità 
• Digitalizzazione ed acquisizione dei dati nell'adiacente stazione di controllo diesel 

 

Per misurare il carico, le due punterie furono strumentate con estensimetri HBM del tipo K-LY41-3/120. Si applicarono quattro estensimetri distribuiti a distanza di 90° sulla circonferenza centrale di ogni punteria, usando collante Z70. Gli estensimetri del tipo K-LY41 hanno già cavetti di collegamento isolati con Teflon, lunghi abbastanza da fuoriuscire dal coperchio della valvola. I punti di misura furono protetti con tubetti di plastica autorestringenti. Essendo di interesse solo le deformazioni dinamiche, fu usato il semplice circuito a 2 fili con il resistore di completamento. Utilizzando i segnali di deformazione individuali, è possibile determinare le sollecitazioni assiali e le forze mediante la loro somma e le deformazioni di flessione mediante la loro differenza e, derivate da esse, determinare le sollecitazioni ed i momenti di flessione compresa la direzione della massima vibrazione flessionale. Tutto ciò richiede i calcoli sottostanti.

1. Forza normale F_z

2. Momento flettente M_x

3. Momento flettente M_y

Taratura

Le catene di misura furono tarate applicando un carico perfettamente noto (un peso da 10 kg) nel centro della punteria, la quale era montata in modo flessibile alle due estremità. La punteria orizzontale veniva poi sollecitata in flessione sia dal peso applicato al centro che dal suo proprio peso. A causa della deformazione di flessione alternata lungo l'asse principale, la punteria ruota sui propri supporti. Confrontando i valori misurati con quelli attesi secondo le leggi della geometria e dei materiali, si trovò una deviazione del solo 0,5 % (vedere Figura 2,  V_target, V_actual).

Fig. 2: Diagramma di taratura del punto di misura

Misurazione ed analisi

Le due punterie preparate in laboratorio furono istallate su differenti cilindri del motore diesel di emergenza. Due coperchi di ricambio delle valvole vennero forati per far passare quattro coppie di fili provenienti dai punti di misura a mezzo ponte di estensimetri.

Le punterie delle valvole possono ruotare nella loro sede sferica. Sebbene ciò sia desiderabile, non c'è alcun meccanismo che ne forzi la rotazione. Per misurazioni continue, od anche solo per allungare la durata della prova, si sarebbe dovuto installare una trasmissione telemetrica dei segnali. Questa spesa non fu reputata necessaria, dato il breve tempo di prova per i pochi giri della punteria da considerare. Per consentire le rotazioni, furono avvolti a spirale i fili di collegamento di lunghezza adeguata.

I punti di misura furono collegati ad un amplificatore a frequenza portante distante circa 25 m, ed i segnali furono registrati da un sistema di acquisizione dati (frequenza di campionamento 2 kHz). All'inizio della fase di avviamento, il motore diesel era fatto partire da un meccanismo di rotazione innescato da aria compressa. Le misurazioni effettuate a questa bassa velocità di rotazione mostrarono il solo carico delle punterie dovuto alle molle delle valvole (Figura 3).

 

Fig. 3: Deformazione assiale mediata nel tempo all'avviamento iniziale del motore con aria compressa nel cosiddetto modo a rotazione

Fu possibile verificare nuovamente la misurazione confrontando le forze assiali con le forze statiche delle molle prima misurate con un calibro a quadrante. La Figure 4 sottostante mostra l'effettiva curva di carico del motore diesel ed il campo di fluttuazione delle deformazioni massime.

campo di fluttuazione delle massime deformazioni.he maximum strains.

Fig. 4: Il campo di fluttuazione variabile delle deformazioni individuali 

Durante il funzionamento, si può facilmente notare sul cavo di trazione che le punterie ruotano lentamente, con una che si muove e leggermente più veloce dell'altra. Ciò è mostrato in Figura 4 dell'innalzarsi ed abbassarsi alternato della deformazione di flessione, dimostrando che la vibrazione flessionale non ha una direzione fissa rispetto alla punteria. Tuttavia si potrebbe dedurre che la abbia rispetto alla macchina. Questo può essere considerato come una possibilità, perché non era stato installato alcun generatore di marcatura di riferimento per l'angolo della punteria. Era anche chiaro che la sollecitazione d'ingobbamento dovuta alla non omogeneità della punteria, non era la causa della vibrazione torsionale.

Come previsto, le forze della punteria mostravano una certa dipendenza dalla potenza del motore, perché le pressioni nel cilindro agivano sulle valvole, come pure le forze delle molle.

La Figura 5 sottostante mostra un sezione ingrandita dei segnali di deformazione flessionale filtrati passa-alto durante lo stazionamento parziale del carico.

Fig. 5: Deformazioni flessionali delle due punterie durante la rotazione stazionaria 

La vibrazione flessionale mostra che intorno a 115 Hz la frequenza naturale viene intensamente eccitata.

Lo spettrogramma di decelerazione del motore (Figura 6) mostra che le armoniche più alte eccitano questa frequenza soggetta alla velocità.

Ciò che fu molto interessante era l'elevata deformazione flessionale alle armoniche più alte. Ciò è particolarmente evidente alla nona armonica.

Fig. 6: Spettrogramma della deformazione flessionale durante la decelerazione del motore

La Figura 7 mostra un ciclo di lavoro lento durante la decelerazione del motore.

Fig. 7: Analisi di un ciclo di lavoro concernente la deformazione assiale e quella flessionale

Un ciclo di durata T è approssimativamente diviso in T/4 per l'apertura, T/4 per la chiusura e T/2 per la fase passiva. Nel T/2 della fase attiva, la forza assiale sale e scende d'accordo con l'azione delle diverse molle. Insieme alla deformazione di flessione, c'è un marcato cambiamento della sollecitazione flessionale nel momento di massima forza e d'inversione del moto. La spiegazione di questo fatto è: il movimento cambia l'angolo fra la punteria ed il bilanciere, a causa della frizione torsionale nella sede sferica. Il passaggio dall'alto al basso cambia la direzione della coppia di frizione.

In ambedue le fasi, un'oscillazione a frequenza più alta si sovrappone alla deformazione flessionale. Questa è la vibrazione di risonanza a 115 Hz, eccitata dagli impulsi di forza e dall'incostante frizione nei supporti.

Il passaggio dall'alto al basso cambia molto rapidamente la direzione della coppia di frizione. Dalla forma della camma dell'albero a camme, sarebbe possibile stimare che il cambiamento avviene in una parte dei 360° di rotazione, ad esempio entro i 30°, il ché determina il dominio della nona armonica.

Alla normale velocità di 1500 giri/minuto, cioè per un periodo estremamente più breve del tempo mostrato in Figura 7, il ripido fianco di variazione del momento flettente sincronizza l'energia per la vibrazione di risonanza. 

Sommario e prospettive 

Le misurazioni hanno permesso di chiarire il meccanismo di carico. È la macchina a bilancieri che determina la direzione delle vibrazioni flessionali, non la presunta discontinuità delle punterie.

La valutazione del livello e frequenza del carico vibrazionale dimostra che, col materiale originale, i limiti di carico sostenibili possono essere raggiunti e che le punterie possono occasionalmente guastarsi.

Il rimedio era costruire le punterie con materiale di qualità più alta.