1. ¿Cuáles son los objetivos del proyecto?
El objetivo principal del proyecto es la investigación orientada a la implantación de sistemas de control activo de ruido (ondas de presión) del tipo acústico-estructural en las salas de control existentes en las centrales hidráulicas. Para ello, se diseñará y desarrollará un prototipo para la sala de control de una central hidráulica de EDP España, en concreto la central hidráulica de La Florida, ubicada en el municipio asturiano de Tineo.
Este objetivo principal se puede desglosar en las siguientes metas:
- Desarrollar tecnología y nuevo conocimiento en relación al comportamiento en servicio de los sistemas de control activo de ruido en entornos industriales, como los que suponen las salas de control de los edificios de turbinas.
- Explorar la posibilidad de extender de forma generalizada a varias plantas el sistema planteado, y los distintos usos y funcionalidades posibles (control de ruido, pero también control predictivo de anomalías cuando los patrones de la señal registrada sufran cambios significativos).
- Desarrollar un modelo experimental a escala real en la CH La Florida, que permita investigar directamente en campo las prestaciones del sistema.
- Mejorar el confort de los trabajadores en la sala de control de la CH La Florida.
Este proyecto, en el que participaron Ingeniería Acústica 3 y EDP, contó con la financiación del Gobierno del Principado de Asturias, a través del IDEPA y el Plan de Ciencia Tecnología e Innovación (PCTI) 2013-2017, así como de la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).
2. ¿Qué tareas se han realizado?
Para llegar a cabo los objetivos anteriormente descritos se planteó un plan de trabajo que se extendió desde principios de septiembre de 2017 a principios de agosto de 2019, y que se puede resumir en:
- Múltiples reuniones de trabajo del equipo del proyecto (EDP, IA3 y empresas colaboradoras).
- Elaboración de especificaciones técnicas y funcionales del sistema.
- Mediciones de condiciones sonoras y vibraciones en emplazamiento de la CH La Florida.
- Modelización específica de los paramentos objeto de intervención para reproducir su comportamiento dinámico-estructural.
- Protocolos de pruebas y ensayos, a nivel estructural y de control, del sistema en laboratorio.
- Pruebas e implantación del sistema en la CH La Florida.
3. ¿Cuáles han sido las etapas del proyecto?
Las principales fases completadas en el proyecto han sido:
- Elaboración de las especificaciones técnicas y funcionales, así como de la estructura de costes del producto-proceso a desarrollar.
- Elaboración de modelos numéricos en el entorno ANSYS (módulo de acústica) y simulación del comportamiento de la interacción fluido-estructura (campos acoplados).
- Desarrollo del sistema y ejecución de ensayos a nivel de laboratorio.
- Construcción y montaje del modelo experimental en campo e instrumentación del mismo; monitorización y seguimiento de resultados.
4. ¿Qué resultados se han obtenido?
El sistema desarrollado cuenta con tres subsistemas principales:
- Subsistema receptor: sensor capaz de medir aceleraciones (acelerómetros).
- Subsistema de control: microcontrolador encargado de la lógica del funcionamiento del sistema.
- Subsistema actuador: dispositivo capaz de emitir una vibración en el medio de propagación. Formado por etapa de amplificación y actuadores.
Para caracterizar el nivel sonoro existente se tomaron registros de ruido en el interior y en el exterior de la sala de control, y se midieron vibraciones en distintos puntos de la cristalera, con diferentes combinaciones de funcionamiento de los grupos generadores de la central hidráulica.
4.1 Modelización
Para la simulación del comportamiento dinámico-estructural de la mampara acristalada objeto de estudio se realizó un análisis numérico del conjunto con un modelo 3D en el entorno ANSYS-MECHANICAL, tratando de reproducir sus modos de vibración y frecuencias propias. La modelización efectuada permitió definir la estrategia de disposición de sensores y actuadores.
4.2 Pruebas en laboratorio
En primer lugar se realizaron diferentes ensayos para comprobar el funcionamiento del sistema de control activo acústico-estructural de ruido, empleando al efecto una mampara posicionada horizontalmente sobre cuatro apoyos. Este primer prototipo tenía unas dimensiones 1x1,4 metros, asemejándose un paño de los que componen la cristalera.
A través de una vibración forzada se produce una excitación del vidrio y, tras la realización de los primeros ajustes y diferentes pruebas, se comprobó que cuando el sistema de control activo de ruido entra en funcionamiento, se genera una disminución en la amplitud de la señal.
Una vez comprobada la eficacia del sistema, se estudió su funcionamiento sobre un segundo prototipo. Este prototipo simula un recinto cerrado o cabina, para poder tener en cuenta cómo se comporta el sonido aéreo y estructural que es trasmitido por una fuente ubicada en el centro del mismo. Ello permite aproximarse a las condiciones acústicas existentes en una habitación, tales como las reflexiones de las ondas y la trasmisión estructural.
Sobre este segundo prototipo se realizaron dos tipos de ensayos, acústicos y de vibración.
Para los ensayos acústicos se activa una fuente semi-dodecaédrica con un tono puro de 93 Hz en el interior de la cabina de ensayos, y se realiza una medición acústica a 0,5 metros de la cabina; ello permite comprobar la magnitud del nivel sonoro existente en el exterior de la misma cuando el sistema de control activo de ruido no está en funcionamiento. El sistema experimental planteado alcanzó una atenuación con el sistema de control activo de ruido de 11 dB en la banda de tercio de octava de la frecuencia de excitación.
Por otra parte, los ensayos no acústicos consisten en la realización de mediciones de vibraciones, empleando para ello acelerómetros. Se activa una fuente semi-dodecaédrica con un tono puro de 93 Hz en el interior de la cabina de ensayos y se realiza una medición de vibraciones; esto permite comprobar la magnitud del nivel de vibraciones existente en la superficie acristalada de la cabina, tanto con el sistema de control activo de ruido en funcionamiento como con él desactivado. Destaca la reducción de entorno al 80% de la vibración alcanzada en el paño del modelo experimental con el sistema de control activo en funcionamiento.
4.2 Implantación en campo
Tras realizar idénticas pruebas a las efectuadas en laboratorio, a la vista del paramento de campo, se estimó necesario analizar la transmisión de las ondas mecánicas (vibraciones) generadas en contrafase por el actuador del sistema de control activo de ruido; la disposición de los paños, fijados a un montante de aluminio, podían afectar a la efectividad del sistema propuesto.
Paralelamente se realizaron mediciones del nivel sonoro en la sala de turbinas y en el interior de la cabina de control, activando y desactivando el sistema de control activo de ruido. Se verificó una reducción de al menos 2 dBA del nivel sonoro, alcanzando casi 5 dB en determinadas frecuencias.
Como conclusión, se evidencia que el sistema consigue una atenuación considerable de la vibración del paramento en los paños en los que actúa. Sin embargo, la discontinuidad que ofrece el montante rompe la contrafase producida por el sistema de control activo de ruido, impidiendo alcanzar los niveles de atenuación conseguidos en laboratorio con paño único, sin discontinuidad estructural.
Por otra parte, se considera que el sistema puede mejorarse en la actuación sobre un ancho de banda mayor, ya que al reducir la vibración del paramento sobre una mayor cantidad de frecuencias, se conseguirá más eficiencia del sistema.
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