CORPORACIÓN ELÉCTRICA DEL ECUADOR CELEC E.P. UNIDAD DE ... Ingenieria... · métodos y técnicas...
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1 RESUMEN: El presente documento describe los métodos y técnicas para la aplicación de ingeniería inversa y reconstrucción 3D llevadas a cabo en el Centro de Investigación y Recuperación de Turbinas Hidráulicas y Partes Industriales de la Unidad de Negocio Hidroagoyán CELEC – EP, que tiene como objetivo reestablecer a condiciones de trabajo aquellas partes de turbinas hidráulicas que actualmente tienen daños o están consideradas como chatarra, terminando de esta manera la dependencia con empresas proveedoras internacionales de repuestos y servicios de reparación con costos muy elevados. Su calidad de centro de investigación tiene como meta la generación de conocimiento, investigación y el desarrollo tecnológico, enfocado a la mejora de turbinas hidráulicas. 1. INTRODUCCIÓN: La energía producida en una central hidroeléctrica es una fuente limpia y renovable. Las turbomáquinas hidráulicas son las que transforman la energía hidráulica en energía mecánica de giro y consecuentemente accionan un generador eléctrico, obteniendo una eficiencia alrededor del 95% gracias a que la tecnología y los esfuerzos de ingeniería han alcanzado gran madurez en este campo. (Maxtai, 2009) Alcanzar una confiabilidad y eficiencia conlleva un diseño individual debido a INGENIERÍA INVERSA Y RECOSTRUCCIÓN 3D PARA LA RECUPERACIÓN INTEGRAL Y FABRICACIÓN DE COMPONENTES DE TURBINAS HIDRÁULICAS Autor 1: ING. CARLOS ANDRÉS GUERRA VÁSQUEZ Autor 2: ING. MARCO VINICIO ZABALA TABANGO Empresa: CELEC E.P. HIDROAGOYÁN Empresa: CELEC E.P. HIDROAGOYÁN Cargo: Jefe de Ingeniería de Recuperación y Diseño Cargo: Jefe de Manufactura y Recuperación DATOS DE LA EMPRESA Dirección: Km 5.5 vía Baños - Puyo Código Postal: 180301 Teléfono: (+593) 3277 6005 E-Mail: [email protected] [email protected] PALABRAS-CLAVE: Escáner 3D, Ingeniería Inversa, Recuperación de partes, Rodete Francis, Rodete Pelton, Reconstrucción 3D, Mantenimiento de turbinas. CORPORACIÓN ELÉCTRICA DEL ECUADOR CELEC E.P. UNIDAD DE NEGOCIO HIDROAGOYÁN ECUADOR V Congreso CIER de la Energía 2017 Baños de Agua Santa, Tungurahua, Ecuador; 25 de julio de 2017 Código de subtema: G1.4. Experiencias en la implementación de innovaciones tecnológicas en proyectos de generación.
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1
RESUMEN:
El presente documento describe los
métodos y técnicas para la aplicación de
ingeniería inversa y reconstrucción 3D
llevadas a cabo en el Centro de
Investigación y Recuperación de Turbinas
Hidráulicas y Partes Industriales de la
Unidad de Negocio Hidroagoyán CELEC –
EP, que tiene como objetivo reestablecer
a condiciones de trabajo aquellas partes
de turbinas hidráulicas que actualmente
tienen daños o están consideradas como
chatarra, terminando de esta manera la
dependencia con empresas proveedoras
internacionales de repuestos y servicios
de reparación con costos muy elevados.
Su calidad de centro de investigación
tiene como meta la generación de
conocimiento, investigación y el desarrollo
tecnológico, enfocado a la mejora de
turbinas hidráulicas.
1. INTRODUCCIÓN:
La energía producida en una central
hidroeléctrica es una fuente limpia y
renovable. Las turbomáquinas hidráulicas
son las que transforman la energía
hidráulica en energía mecánica de giro y
consecuentemente accionan un
generador eléctrico, obteniendo una
eficiencia alrededor del 95% gracias a que
la tecnología y los esfuerzos de ingeniería
han alcanzado gran madurez en este
campo. (Maxtai, 2009)
Alcanzar una confiabilidad y eficiencia
conlleva un diseño individual debido a
INGENIERÍA INVERSA Y RECOSTRUCCIÓN 3D PARA LA RECUPERACIÓN INTEGRAL
Y FABRICACIÓN DE COMPONENTES DE TURBINAS HIDRÁULICAS
Autor 1: ING. CARLOS ANDRÉS GUERRA VÁSQUEZ Autor 2: ING. MARCO VINICIO ZABALA TABANGO
Empresa: CELEC E.P. HIDROAGOYÁN Empresa: CELEC E.P. HIDROAGOYÁN
Cargo: Jefe de Ingeniería de Recuperación y Diseño Cargo: Jefe de Manufactura y Recuperación
DATOS DE LA EMPRESA Dirección: Km 5.5 vía Baños - Puyo
Código Postal: 180301
Teléfono: (+593) 3277 6005
E-Mail: [email protected]
PALABRAS-CLAVE: Escáner 3D,
Ingeniería Inversa, Recuperación de partes, Rodete Francis, Rodete Pelton, Reconstrucción 3D, Mantenimiento de
turbinas.
CORPORACIÓN ELÉCTRICA DEL ECUADOR CELEC E.P. UNIDAD DE NEGOCIO HIDROAGOYÁN ECUADOR
V Congreso CIER de la Energía 2017 Baños de Agua Santa, Tungurahua, Ecuador; 25 de julio de 2017
Código de subtema: G1.4.
Experiencias en la implementación de innovaciones tecnológicas en proyectos
de generación.
2
condiciones locales específicas de una
turbina como el caudal, altura de salto,
propiedades del agua, siendo parámetros
determinantes en la elección del tipo de
una turbina hidráulica, especificando su
geometría y capacidad máxima hay
diseños clásicos de uso generalizado,
como son las turbinas Francis, Pelton,
Kaplan, y otras en menor proporción como
Turgo y Michell-Banki.
En Ecuador, la capacidad nominal
instalada de las centrales de generación
ha crecido considerablemente en los
últimos diez años, llegando a diciembre de
2016 a un valor de 8.226,42 MW, de los
cuales 4.440,70 MW corresponde a
generación hidroeléctrica aportando el
53.98% al Sistema Nacional
Interconectado “SNI” (Cadena, 2017), por
lo cual el sector eléctrico depende en gran
medida de la producción de energía de
centrales hidráulicas. El tiempo de
indisponibilidad por mantenimiento
correctivo para recuperación del material
desgastado en los rodetes ocasiona
pérdidas económicas e inestabilidad en el
SNI.
En las centrales hidroeléctricas la
geometría original de los componentes de
las turbinas hidráulicas es
extremadamente importante dentro del
proceso de recuperación, para este
propósito se usa la documentación y
planos dimensionales AS BUILT que fue
entregada por el fabricante al momento de
la compra, sin embargo se ha encontrado
que estos documentos omiten información
clave para la creación geométrica, esta
práctica es utilizada por los fabricantes
para asegurar su mercado, por lo que los
planos dimensionales no coinciden con el
objeto físico o, éste ha sufrido
modificaciones geométricas para mejorar
su desempeño, provocando que los
planos disponibles queden obsoletos,
incluso algunos componentes por su
antigüedad no poseen la documentación
mencionada.
La mayoría de Centrales Hidroeléctricas a
lo largo de los años han almacenado
partes de turbinas que actualmente son
consideradas como chatarra ya que su
ciclo de vida ha terminado, por esta razón
se presenta este trabajo para mostrar la
aplicación de procedimientos de
ingeniería inversa y reconstrucción
tridimensional para la digitalización de
partes de turbinas hidráulicas a escala
real para su diagnóstico técnico previas a
la recuperación y aplicación de simulación
numérica.
2. INGENIERÍA INVERSA Y RECONSTRUCCIÓN 3D
2.1. Ingeniería Inversa
Para desarrollar piezas y accesorios para
el sector de la generación de energía, los
ingenieros encargados de la recuperación
deben extraer las dimensiones de los
diferentes componentes. Las dimensiones
no solo tienen que ser precisas con objeto
de garantizar un buen ajuste y
rendimiento, sino que los datos de las
dimensiones también deben ser lo más
completos posible.
La digitalización 3D de los diferentes
elementos de una turbina hidráulica sirve
para recuperar geometrías de diseño
complejas y aplicar herramientas de
diseño por computadora (CAD) para el
análisis físico mecánico respecto a su
operación normal y evaluarlo con el uso
de software de simulación basada en
métodos numéricos con el empleo de
computadores. (Oro, 2012).
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El procedimiento aplicado para este tipo
de estudio se muestra en la siguiente
figura:
Figura 1: Proceso de ingeniería inversa (Sherry, 2005)
La adquisición de datos representa la
parte crucial para que un proyecto de
ingeniería inversa sea exitoso, ya que la
segmentación e integración de la
información depende de una buena
captura de puntos virtuales en el espacio
a través de un escáner 3D y apoyado con
métodos convencionales de medición.
2.2. Captura de datos
La información de puntos libres en el
espacio se capta por un escáner 3D, en
formato de nubes de puntos. Un
escaneado 3D proporciona una medición
completa de todas las piezas y su
ubicación relativa, lo que ayuda
considerablemente a crear el nuevo
diseño con las características y
dimensiones de montaje correctas.
El escáner 3D utilizado tiene las
siguientes características técnicas:
Tabla 1: Características técnicas del escáner 3D
Características técnicas HandySCAN 700™
Peso 0,85 kg
Dimensiones 77 x 122 x 294 mm
Velocidad de medición 480 000 mediciones/s
Área de escaneado 275 x 250 mm
Fuente de luz 7 cruces láser (+1 línea
extra)
Tipo de láser 2M (seguro para la vista)
Resolución 0,050 mm
Precisión Hasta 0,030 mm
Distancia de seguridad 300 mm
Profundidad de campo 250 mm
Tamaño de las piezas 0,1 – 5m
La digitalización láser asegura cubrir
todas las zonas del componente y permite
llegar a los mínimos detalles. Con el
escáner se puede capturar curvas
complejas y superficies suavizadas que
son difícil de medir utilizando métodos
tradicionales de medición.
El proceso comienza con la selección,
limpieza y preparación de las superficies
que se van a digitalizar, la tecnología del
escáner láser analiza la luz reflejada en la
superficie del componente, por lo que
puede ser susceptible a perder
información si ésta es transparente,
translúcida o brillante, por lo que la
aplicación de pintura mate o polvo
revelador ayuda a mitigar este problema.
Figura 2: Rodete Francis de 115 MW con superficies
preparadas para la digitalización.
En la superficie se colocan adhesivos
circulares que el escáner utilizará para
auto posicionarse en el espacio, esto
permite tener libertad de movimiento con
el componente analizado sin perder
referencia o incluso parar el proceso de
escaneo para retomarlo en cualquier otro
momento.
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Para la visualización de los datos
capturados el equipo utiliza el software
VXelements que muestra en tiempo real
la adquisición de la información, es decir,
la reconstrucción de la malla poligonal,
permite además la calibración del escáner
en cualquier momento mediante un
patrón, establecer parámetros de
resolución y eliminar conjuntos de puntos
generados por geometrías adyacentes o
ruidos.
Figura 3: Visualización en tiempo real de escaneo de
álabe directriz.
El formato de archivo que obtenemos es
STL (siglas provenientes del inglés
“STereo Lithography”) y es un formato de
diseño asistido por computadora CAD que
define geometría de objetos 3D mediante
superficies trianguladas dentro de un
sistema de referencias, excluyendo
información como color, texturas o
propiedades físicas, por lo que resulta
ideal para tomar las superficies como
base o referencia para un modelado
tridimensional.
Para piezas de grandes longitudes es
factible realizar varias sesiones de
escaneo, de esta forma se obtienen
archivos más livianos, las mallas
generadas se pueden asociar y combinar
en el proceso del pre-procesamiento de
datos.
2.3. Segmentación de datos
Para el pre-procesamiento de los datos se
utiliza el software Geomagic Design X®
de modelamiento de superficies el cual
permite:
- Unión de nube de puntos generados
en diferentes sesiones de escaneo.
- Filtrado y eliminación de ruidos de la
nube de puntos y datos innecesarios
capturados por el equipo.
- Relleno de agujeros.
- Verificación y corrección de la
topología de datos geométricos.
- Creación de planos y vectores a partir
de geometrías de referencia.
- Alineación de mallas.
- Identificación de regiones y auto-
reconocimiento de geometrías
primitivas.
Figura 4: Pre-procesamiento de rodete Francis, arriba:
filtrado de ruido y alineamiento con vectores; abajo:
creación de regiones geométricas.
2.4. Integración de datos
El post-procesamiento de la información
obtenida consiste en la transformación de
las superficies y regiones creadas en
datos de tipo CAD o sólidos con valores
paramétricos, para cumplir con este
objetivo se seleccionan planos de
referencia y se crean croquis 2D y 3D
para realizar operaciones de extracción,
revolución o generación de superficies
completas. Los croquis toman los puntos
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escaneados como puntos de referencia a
partir de los cuales se modela la
geometría deseada.
Figura 5: Post-procesamiento de rodete Francis, arriba:
Creación de croquis; medio; croquis terminado; abajo:
sólido de revolución a partir del croquis
Para superficies más complejas, es decir,
que no siguen un patrón primitivo
geométrico y curvas suavizadas será
necesario trabajar mediante la creación de
superficies a partir de croquis en 3D, para
ello es necesario modelar todas las
superficies que conforman el sólido,
teniendo en cuenta que éstas no pueden
superponerse o dejar vacíos, ya que
representaría un problema posterior en la
generación de sólidos a partir de
superficies, esto resulta muy útil al
momento de virtualización de todo tipo de
álabes ó cangilones.
Figura 6: Superficie a partir de croquis 3D
Con todos los elementos que conforman
la pieza se realiza las operaciones
booleanas de unión, sustracción e
intersección para obtener el modelo 3D
listo para su exportación a un software de
modelamiento CAD, para ello se revisa el
sólido generado y se comprueban los
valores de desviación alcanzado en el
proceso de registro, ver figura 8.
Figura 7 (vista a): Rodete Francis de 117.1 MW generado
a partir de datos de escaneo.
Figura 8: Desviaciones del modelo tridimensional
generado con respecto a datos escaneados.
3. RELACIÓN CON ACTIVIDADES DE
RECUPERACIÓN DE PIEZAS DE TURBINAS HIDRÁULICAS:
El restablecimiento de la geometría
original de los componentes de las
turbinas hidráulicas es importante dentro
del proceso de recuperación y aplicable a
todas las unidades de generación pública
y privada, ya que resuelve los problemas
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encontrados en operación y
mantenimiento por la dependencia con los
fabricantes como:
- Información clave omitida en planos,
- Planos dimensionales no coinciden
con el objeto físico o ha sufrido
modificaciones geométricas para
mejorar su desempeño,
- Algunos componentes, por su
antigüedad, no poseen los planos
dimensionales.
- No contar con plantillas para la
verificación de geometrías de álabes.
Figura 9: Gerenciamiento técnico para el proceso de
recuperación (Ver Anexo 1)
El Anexo 1 hace referencia al proceso de
gerenciamiento técnico para la
recuperación de componentes de turbinas
hidráulicas y partes industriales, donde
toda pieza que ingresa es codificada,
siendo éste el punto de partida para correr
el procedimiento de ingeniería inversa con
escáner 3D y procesamiento de la
información para disponer del modelo
CAD de manera precisa y totalmente
editable, con esto se puede manipular
geometrías y realizar cambios de acuerdo
a las actividades operativas de
recuperación. El software de modelado
CAD utilizado es SolidWorks ®.
Con el modelo tridimensional completo se
puede elaborar los planos 2D con toda la
información necesaria para la reparación
ya sea ésta por aportación o desbaste de
material y para la fabricación de piezas
nuevas.
Figura 10: Plano dimensional obtenido del modelo CAD
Con la obtención de la malla a partir de
los datos escaneados y una vez
terminado el modelo CAD nominal, se
puede realizar la ingeniería a través de la
superposición de modelos para establecer
el procedimiento de recuperación más
adecuado para la pieza, en dicha
evaluación se establece la cantidad de
material faltante y se dimensiona los
desgastes para la emisión de una ficha de
reparación, esta herramientas nos permite
además llevar un registro virtual de zonas
de erosión y cavitación.
Figura 11: Evaluación de desgastes de álabe directriz de
turbina Francis de 117.1 MW.
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Para la recuperación de álabes
directrices, álabes de rodetes Francis y
Kaplan, cangilones de rodetes Pelton y
cualquier otra geometría especial el uso
de plantillas es fundamental para que los
pulidores y soldadores puedan comprobar
el progreso del trabajo y puedan tomar
decisiones sobre qué zonas atacar
retirando o aportando material, la
verificación es constante y la plantilla
debe tener relación con puntos de
referencia del componente y elevada
precisión.
Es por ello que el procedimiento de
ingeniería inversa es ideal para el diseño
y desarrollo de plantillas, éstas se
modelan en el software CAD utilizando el
modelo tridimensional procesado, se
escogen las referencias y se crean las
geometrías, superficies y sólidos válidos
para la manufactura.
Figura 12: Arriba: diseño de plantilla para boca y
tricúspide de rodete Pelton de 36.5 MW; Abajo: plantilla
construida.
Dentro del proceso de recuperación de
turbinas hidráulicas intervienen
procedimientos de mecanizado que
debido a la complejidad de la geometría al
trabajar en tres, cuatro y hasta 5 ejes con
interpolación simultánea, el nivel de
precisión y tolerancias de trabajo
requeridas, se deben llevar a cabo en
equipamiento CNC (control numérico
computarizado), y con ayuda del sistema
CAM (manufactura asistida por
computador) donde se genera el
programa de maquinado de forma
automática mediante secuencias de
procesos definidos por el programador,
partiendo del modelo CAD resultante del
procedimiento de ingeniería inversa, el
sistema toma la información del diseño y
genera la ruta de corte que tiene que
seguir la herramienta para fabricar la
pieza deseada, a partir de esta ruta de
corte se crea el programa de maquinado,
el cual puede ser introducido
posteriormente a la máquina por el
operador, facilitando notoriamente las
tareas de recuperación con calidad y
eficiencia.
Figura 13. Mecanizado de codos de descarga de turbina
de 1.5MW
Otro de los objetivos principales de la
reconstrucción geométrica es tener a
disposición los modelos para simular el
comportamiento físico del funcionamiento
de la turbina y analizar los diferentes
fenómenos que se presentan con
herramientas de Flujo Dinámico de
Fluidos (CFD) y comportamiento
mecánico con software de Análisis de
Elementos Finitos (FEA), estos programas
nos permiten estudiar y determinar las
características de la turbina como:
- Predicción y análisis de eficiencia de
rodetes con fluidos dinámicos.
- Análisis de interacción fluido -
estructura (Por ejemplo, importación
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de la distribución del campo de
presiones sobre el álabe para
posterior análisis estructural).
- Análisis térmico – estructural (Por
ejemplo, simulación de procedimiento
de soldadura para minimizar
distorsión y esfuerzos residuales por
reparaciones).
- Determinación de la respuesta
estructural de todo tipo de equipo y/o
maquinaria sujeta a cargas estáticas,
dinámicas, rotacionales, de vibración.
- Análisis de mecánica de fractura.
- Simulación de flujo interno.
- Simulación de comportamiento con
fluidos de diferentes de densidades.
- Análisis de partículas.
- Análisis de erosión.
- Análisis de cavitación.
- Análisis paramétricos.
Figura 14: Simulación de flujo interno y contorno de presiones de un cangilón de rodete Pelton de 6.23 MW.
Al aplicar la simulación de ingeniería en
las primeras etapas del desarrollo de los
proyectos con un sistema CAE, se puede
probar nuevos diseños más rentables, de
forma más rápida y con mayor frecuencia
que con los métodos de prototipos y
pruebas tradicionales.
En el campo de la turbo-maquinaria,
existen diversas funciones dimensionales
como cantidades paramétricas que se
utilizan para especificar el tamaño de las
máquinas y cuantificar el desempeño del
flujo, estos valores son relevantes para el
diseño geométrico y del perfil hidráulico
así como para asegurar la operación de la
turbina. (Zhang, 2016).
Por esta razón análisis geométricos
adicionales se llevan a cabo después del
proceso de recuperación, con el fin de
verificar los parámetros dimensionales
esenciales del perfil hidráulico como parte
del control de calidad del componente,
tarea que puede llevarse a cabo con la
utilización del escáner 3D y
procedimientos de ingeniería inversa. En
el Ecuador, y con la construcción de las
nuevas centrales de generación, esta
misma verificación se realiza para la
aceptación de rodetes nuevos emitiendo
un criterio geométrico del mismo, para el
caso de rodetes tipo Pelton los
parámetros que se evalúan son los
siguientes:
- Ancho del cangilón con respecto a
la cuchilla.
Figura 15: Verificación geométrica de rodete Pelton de
187.5 MW
9
- Dimensión de boca de entrada con
respecto a la tricúspide.
- Profundidad del cangilón.
- Ángulos de entrada y salida del
cangilón.
- Paso del rodete.
Figura 16: Verificación geométrica de rodete Pelton de
187.5 MW
4. CONCLUSIONES:
Con el sistema de ingeniería se puede
reducir en un 70% el tiempo dedicado al
diseño de componentes, entregando una
precisión de 0.030 mm, lo que es un gran
beneficio para el proceso de recuperación
de partes de turbinas hidráulicas ya que
nos permitirá disponer de la información
necesaria para los procesos posteriores
de, soldadura, pulido, manufactura
asistida por computadora (CAM) y
Mecanizado CNC de una manera
confiable y precisa.
Con los procedimientos de ingeniería
inversa se reducen de manera las
actividades de levantamiento dimensional
con instrumentos de metrología
convencionales o generando secciones
cuadriculadas en dos dimensiones para
modelar superficies complejas con los
comandos disponibles de cualquier
paquetería CAD.
Se obtiene planos a detalle de superficies
importantes como el borde de ataque y
salida de cada álabe del rodete dentro de
los valores de tolerancia indicados.
Las superficies obtenidas son continuas,
sin distorsiones y reflejan en un alto
porcentaje la forma real las geometrías
complejas de álabes y cangilones. Con
esto las simulaciones que se obtengan a
partir del uso de los programas CFD,
serán ampliamente confiables y no sobre
la base de modelaciones aproximadas.
La aplicación de esta técnica se encuentra
disponible en el país, tanto en
Universidades como en Centros de
Investigación especializados, los equipos
y software utilizado son de última
tecnología y van a la vanguardia del
avance tecnológico que requieren las
actividades operativas de recuperación
con calidad y eficiencia.
Además la virtualización de componentes
permite evaluar y cuantificar el
comportamiento de turbinas hidráulicas en
términos de eficiencia y costos.
5. BIBLIOGRAFÍA
Cadena, M. (2017). Plan Maestro de
Electricidad 2016-2025, Ministerio
de Electricidad y Energía
Renovable. Quito: Media Naranja.
Maxtai, C. (2009). Mecánica de Fluidos y
Máquinas Hidráulicas. Madrid:
Ediciones Castillo.
Oro, J. (2012). Técnicas Numéricas em
Ingeniería de Fluidos. Barcelona:
Reverté.
Sherry, N. (2005). Reverse Engineering of
Automotive Parts Applying Laser
Scanning and Structured Light
Techniques. Knoxville.
Zhang, Z. (2016). Pelton Turbines. Zurich:
Springer.
GERENCIAMIENTO TÉCNICODEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE
RECUPERACIÓN
Robot CNC
Centro de mecanizado
Torno vertical
CIRT-2017-PIN-XXX
Partes industriales
CIRT-2017-RFR-XXX
Rodete Francis
CIRT-2017-RPE-XXX
Rodete Pelton
CIRT-2017-TAP-XXX
Tapas
CIRT-2017-ALD-XXX
Álabe directriz
Modelo tridimensional
Elaboración de superficies
Ingreso y codificación
Digitalización nube de puntos
Escáner 3D
Procesamientode puntos Modelo CAD
Códigos ISO
CAM
Manufactura
CAE
Análisis multi-físico Dinámica de fluídos
Programación de actividades / recursos
Gestión técnicaEstudio de
masas
Control de calidad
Comparación con modelo base
JEFATURA DE MANUFACTURA
PMO (PROJECTMANAGEMENT
OFFICE)
JEFATURA DE INGENIERÍA DE RECUPERACIÓN
Herramientas y tiempo de
mecanizado
CONTROL DE CALIDAD
ANEXO1
