Cambio de estátor en turbina de central hidroeléctrica

Las turbinas hidroeléctricas de Tipo Francis, de forma simplificada, están impulsadas por agua que cae desde gran altura y que hace girar las palas del rodete a gran velocidad, transformando energía potencial en energía cinética. El rodete está unido a un rotor por medio de un eje. El rotor gira dentro de un estátor transformando la energía cinética del rodete en electricidad.

Para el correcto funcionamiento y aprovechamiento de la fuerza impulsora del agua, el eje de la turbina debe de estar correctamente centrado para que no se genere desgaste en sus elementos de apoyo. También es importante que el conjunto estátor-rotor quede bien centrado, ya que la separación entre ellos, denominada entrehierro, se ve gobernada por dos fuerzas opuestas, una de repulsión (fuerza magnética) y otra de atracción (fuerza centrípeta). Si el entrehierro es uniforme las dos fuerzas se contrarrestan, si no es uniforme se pueden producir vibraciones que afecten al rendimiento.

Innovación en el procedimiento 

Procedimiento habitual

 La forma habitual de realizar el cambio del estátor implica el desmontaje completo de la turbina. Posteriormente, para el centrado y realineamiento; se deben tomar como referencias la plomada vertical (para el alineamiento) y la posición de los laberintos (para el centrado). Para el desmontaje, centrado y montaje de las piezas de la turbina son necesarias varias semanas y mano de obra cualificada. 

Cualquier reducción en los plazos tiene un importante retorno económico, ya que la central debe mantener el caudal ecológico del río, y durante los días que la central esté parada debe de soltarse agua, la cual no pasa por la turbina y, por tanto, no genera electricidad.

Procedimiento nuevo

 El objetivo del nuevo procedimiento ha sido determinar la posición del estátor original antes de ser retirado, para posteriormente poder situar el nuevo estátor en esa misma posición, no variando así el centrado de la turbina.

Metodología empleada

 Tal y como se indicaba en el objetivo del trabajo, se tuvo que determinar la posición del estátor original antes de su retirada. Para ello se midió la araña superior (cruceta de soporte del cojinete superior que además soporta todo el peso del grupo) que es solidaria al estátor y sobre la cual se monta el cojinete del eje. 

Los datos a obtener de este cojinete fueron su nivelación y la posición en el espacio de su centro. Así se obtuvo la posición del eje del estátor (eje vertical que pasa por el centro del cojinete). Una vez ubicado este eje en el espacio, es posible situar varias referencias rodeando a la turbina, las cuales permiten recuperar esta posición del eje cada vez que sean medidas.

También sobre la araña se fijaron varias referencias solidarias. Dado que una vez que se coloque el nuevo estátor, la araña debe estar en la misma posición que con el viejo estátor, nos serviremos de estas referencias para asegurar que esto se consigue.

Otro problema adicional que existía, debido a la antigüedad de los equipos, es que no existían planos que indicasen la posición de los taladros y fijas de unión del estátor a la araña y a la cimentación del suelo. Para realizar el mecanizado de estos elementos en la nueva carcasa, habría que colocar el nuevo estátor en su posición en el grupo, marcar la posición de los taladros y fijas, desmontar de nuevo el estátor y realizar los taladrados, escariados y avellanados necesarios para, finalmente, realizar el montaje definitivo de estátor y araña.

Este problema se solventó de forma sencilla midiendo la posición de todos los taladros y fijas de unión del estátor antes de la retirada de éste, empleando para ello el Leica Láser Tracker AT901. Así se determinó la posición del centro y diámetro de cada uno de los taladros y fijas, de forma que el nuevo estator, cuando llegó a la central hidroeléctrica, ya disponía de todos los mecanizados necesarios para su instalación.

Toda esta información de taladrado del estátor se envió referenciada a la posición de salida del cableado. De esta forma aseguramos que, no sólo los taladros del estátor coincidirán con sus correspondientes en araña y suelo, si no que, además, respetamos esta posición de salida, con lo que no fue necesario cambiar ni modificar ningún elemento del cableado eléctrico de entrada y salida. Una vez retirado el estátor viejo, se procedió a medir el rotor, para así determinar la altura de su paquete magnético y también su centro. Consiguiendo que el centro del nuevo estátor coincidiese con el centro del rotor aumentaremos el rendimiento de la turbina. Cuando se recepcionó el nuevo estátor en la central hidroeléctrica, se realizó una primera medición de éste. En esta medición, realizada con el Leica AT901, además de comprobar su circularidad, se pudo determinar su eje. Se fijaron también varias referencias en su carcasa exterior, las cuales nos permitirían recuperar la posición de su eje cada vez que se midiesen.

La colocación del estátor fue realizada con el rotor ya en posición. Debido a que la pequeña separación radial (16mm de entrehierro), existía un riesgo grave de colisión entre piezas durante la maniobra. Mediante la medición de las referencias en la carcasa del nuevo estátor y las ubicadas alrededor de la turbina, se podía saber, en todo momento, cual era la posición en el espacio del estátor referenciada a cuál debería ser su posición final, y así poder dar las correspondientes correcciones a los operarios encargados del puente grúa. Además, realizando el trabajo de esta manera, tampoco se ponía en riesgo la integridad del personal técnico, ya que las mediciones se hacían a distancia por medio del Leica AT901 y no era necesario que nadie se acercase a los elementos en movimiento. Así se pudo realizar el trabajo de manera más segura. Ya con el estátor cerca de su posición final, se emplean galgas para su correcta nivelación y posicionado vertical, asegurando así que los centros de paquete magnético de estátor y rotor coincidan en altura. 

Finalmente, mediante tornillos de ajuste, se procede al centrado del eje del estátor y también a su correcto posicionado angular, de forma que quede en la misma posición que el estátor viejo tenía. Una vez fijado el estátor en su posición final, se vuelve a colocar su araña. Tal y como habíamos dicho anteriormente, sobre ésta se habían fijado una serie de referencias, las cuales, al ser medidas nuevamente, nos permiten también dar las correcciones de movimiento oportunas hasta que recuperen su posición original. Así aseguramos que el cojinete de apoyo del eje (que forma parte de la araña) quede también en la misma posición que tenía previamente. En este punto, se comprueba que la disposición del taladrado de unión de estátor y araña también coincide.

Conclusión final

En tan solo 2 días, y gracias a las avanzadas prestaciones del Leica AT901, se ha realizado el montaje y alineado del estátor y la araña superior de la turbina hidráulica; proceso que, por otros medios mecánicos tradicionales, se realiza en mucho más tiempo, y con necesidad de mayor cantidad de recursos humanos y técnicos. La utilización de equipos Leica Láser Tracker ha resultado decisiva para el éxito del proyecto, aportando rentabilidad y competitividad.