Analysis, modeling, and simulation solution of induced-draft fan rotor with excessive vibration: a case study

In the modern industry, computer modeling and simulation tools have become fundamental to estimating the behavior of rotodynamic systems. These computational tools allow analyzing possible modifications as well as alternative solutions to changes in design, with the aim of improving performance. Nowadays, rotodynamic systems, present in various industrial applications, require greater efficiency and reliability. Although there are deep learning methodologies for monitoring and diagnosing failures which improve these standards, the main challenge is the lack of databases for learning, a problem that can be addressed through experimental monitoring and computer analysis. This work analyzes the vibrations of two induced-draft fans with excess vibration in a thermoelectric plant in Mexico. A vibration analysis was carried out through the instrumentation and monitoring of accelerometers located at crucial points in the fans. The results of this experimental analysis were validated by computer simulation based on FEM. The results show that the operating speed of the induced-draft fans is very close to their natural frequency, causing considerable stress and potential failures due to excessive vibration. Finally, this work presents a practical solution to modify the natural frequency of induced-draft fans, so that they can function correctly at the required operating speed, thus mitigating excessive vibration issues.
En la industria moderna, las herramientas de modelado y simulación computacional se han vuelto fundamentales para estimar el comportamiento de los sistemas rotodinámicos. Estas herramientas computacionales permiten analizar posibles modificaciones y soluciones alternativas a cambios en el diseño, con el objetivo de mejorar el rendimiento. Hoy en día, los sistemas rotodinámicos, presentes en diversas aplicaciones industriales, requieren mayor eficiencia y fiabilidad. Aunque existen metodologías de aprendizaje profundo para el monitoreo y diagnóstico de fallas que mejoran estos estándares, el principal desafío es la falta de bases de datos para el aprendizaje. Este problema puede ser abordado a través del monitoreo experimental y el análisis computacional. Este trabajo analiza las vibraciones de dos ventiladores de tiro inducido con exceso de vibración en una planta termoeléctrica en México. Se realizó un análisis de vibración a través de la instrumentación y el monitoreo de acelerómetros ubicados en puntos cruciales de los ventiladores. Los resultados de este análisis experimental fueron validados por simulación computacional basada en el método de elementos finitos. Los resultados muestran que la velocidad de operación de los ventiladores de tiro inducido está muy cerca de su frecuencia natural, causando un estrés considerable y posibles fallas debido a la vibración excesiva. Finalmente, este trabajo presenta una solución práctica para modificar la frecuencia natural de los ventiladores de tiro inducido, de modo que puedan funcionar correctamente a la velocidad de operación requerida, mitigando así los problemas de vibración excesiva.