domingo, 12 de agosto de 2018

REDUCTORES Y MULTIPLICADORES PARA TURBOMAQUINARIA

INTRODUCCIÓN
La turbomaquinaria requiere de la transmisión de grandes cantidades de potencia mecánica a altas velocidades, condiciones que provocan deformaciones, vibraciones y elevación de temperatura en los componentes de la transmisión. Además, es común que este tipo de maquinaria se emplee en aplicaciones demandantes en cuanto a seguridad y confiabilidad, como en la extracción y bombeo de hidrocarburos, la compresión de gases y la generación de energía.  A primera vista los engranajes para estas aplicaciones parecen similares a los que se emplean en otros tipos de maquinaria, sin embargo, las condiciones de trabajo imponen criterios especiales para su diseño, fabricación, selección, soporte y en el arreglo de la transmisión. Este artículo echa un vistazo a algunas formas de cumplir con los requerimientos para transmisiones de engranes en aplicaciones de turbomaquinaria

TRANSMISIÓN DE GRANDES CANTIDADES DE POTENCIA A ALTAS VELOCIDADES:
El rango de potencia entre 500 kW y 500 MW, y velocidades entre  3,000 y 60,000 rpm exige engranajes debidamente clasificados para soportar  los elevados esfuerzos de contacto entre los dientes, las cargas axiales que generan los engranes helicoidales y el calor que se genera en los cojinetes y engranes.

ESFUERZOS  DE CONTACTO
Como hemos visto en artículos anteriores, tratándose de movimiento giratorio la potencia está dada por el producto del par multiplicado por la velocidad de giro, por lo tanto, el par está dado por la relación:

T: Par (N-m)
P: Potencia (W)
w: Velocidad angular (s-1)

El par se transmite a través de las fuerzas de contacto entre los dientes de los engranes:
  
a: ángulo de presión
b: ángulo de hélice
R: Diámetro de paso dividido entre 2 (m)
Ft: Fuerza Tangencial (N)
Fs: Fuerza de separación (N)
Fa: Fuerza Axial (N)




Para una fuerza dada, los esfuerzos disminuirán en la medida que se incremente la superficie de contacto, y ésta depende de los siguientes factores de diseño:



·         El ancho del diente
·         Los radios de curvatura de las superficies en contacto
·         Las deformaciones provocadas por estos mismos esfuerzos (dureza del material)
·         El número de dientes en contacto
·         La rugosidad de las superficies en contacto

SOPORTES AXIALES

En los engranes rectos, el ángulo de hélice es cero y por lo tanto no se generan cargas axiales. Las cargas axiales resultantes también se eliminan en los engranes con doble hélice que generan cargas iguales y axiales opuestas.

Los rotores del motor, de la caja de engranes y de la máquina conducida pueden o no llevar sus propios soportes de carga axial. Si cada rotor tiene sus propios soportes axiales, los acoplamientos entre rotores deben permitir el movimiento lateral relativo entre los ejes para que no haya transmisión de cargas axiales entre un componente y otro. Mediante acoplamientos que limiten el movimiento lateral entre ejes, los rotores que no tienen sus propios soportes axiales pueden utilizar los del rotor al que están acoplados para mantenerse en su lugar. Esto significa que tanto la colocación de los cojinetes axiales para todo el tren de transmisión como el tipo de acoplamiento entre rotores son parte integral del proceso de diseño y selección del tren de transmisión.

Esta representación esquemática muestra únicamente las fuerzas
axiales que actúan sobre el piñón, que son iguales y opuestas.
A principios del siglo pasado, Brown Boveri desarrolló un anillo o collarín para sustituir los cojinetes axiales de los ejes de alta velocidad con piñones helicoidales. El collarín neutraliza las cargas axiales en cada eje, de manera que solamente se requieren cojinetes axiales en el eje de baja velocidad para mantener a ambos rotores en su posición adecuada. Este diseño aprovecha el hecho de que la velocidad de deslizamiento entre las superficies en contacto del collarín es mucho menor en el diámetro de paso de los engranes que en los cojinetes axiales. El collarín, entonces, requiere menos lubricante y genera menos calor que un cojinete axial. El collarín, además, es más barato y ofrece menor movimiento axial que los engranes de doble hélice. Hoy en día, varios fabricantes de engranajes para alta velocidad usan este dispositivo que ha demostrado su efectividad a los largo de los años.


SOPORTES RADIALES
Además de soportar el peso de los componentes, los cojinetes deben soportar también las cargas provocadas por las fuerzas tangenciales, de separación y axiales, descritas arriba. Estas cargas normalmente son varias veces superiores al peso de los componentes giratorios. Como consecuencia, un cambio en las condiciones de operación implica una variación en la respuesta dinámica del sistema (vibraciones), y por lo tanto, las especificaciones para los cojinetes, ya sean hidrodinámicos o lubricados a presión, se establecen en base a las condiciones de operación de una aplicación específica. Por ejemplo, un tren de engranes que gira a alta velocidad sin carga tenderá a ser más errático que durante la operación normal.

GENERACIÓN DE CALOR
Al transmitir movimiento con un 98.5% de eficiencia se genera  calor a razón del 1.5% de la potencia transmitida. Una transmisión de 10 MW estaría generando 150 kW (150 kJ cada segundo) de calor, suficiente energía para elevar la temperatura de un engrane de acero (calor específico 0.49 kJ/(K-kg)) de 100 kg, en 3°C cada segundo. Sin embargo el calor también se está disipando, de manera que al llegar a una temperatura de equilibrio, el lubricante y el aire eliminan el calor a la misma velocidad a la que se genera. Esta temperatura de equilibrio dependerá de la eficiencia del reductor y de la eficacia del sistema de enfriamiento, dos consideraciones muy importantes en el diseño y selección de reductores y multiplicadores para alta velocidad.

A velocidades tangenciales superiores a unos 120 m/s en los dientes de los engranes, además de las perdidas por el deslizamiento entre las superficies en contacto, hay pérdidas ocasionadas por las turbulencias que los engranes provocan en el aire que los rodea y porque el contacto entre los dientes comprime y bombea axialmente la mezcla de aire y aceite. Mediante una tecnología que permite mantener los engranes en un vacío de 80 a 85% y con cojinetes de mayor eficiencia, Renk-MAAG ha desarrollado su reductor HET Gear ©(High Eficiency Turbo Gear)para aplicaciones de generación de energía, accionamiento de compresores, recuperación de energía, ciclo combinado y cogeneración. Esta tecnología permite reducir las pérdidas de potencia hasta a la mitad respecto a otros reductores de alta velocidad.

Consideremos el accionamiento de un compresor de 15 MW con una eficiencia de 98.5%. La pérdida sería 225 kW. Si esta se reduce a la mitad (eficiencia de 99.25%) tendríamos un ahorro de 112 kW. A un costo promedio de 0.06 USD por kW-h, el ahorro sería de 53,700 USD por año (112 kW x 8000 h/año x 0.06 USD/kW-h). Cantidad que ciertamente vale la pena considerar al seleccionar los reductores de velocidad, especialmente en aplicaciones de mayores potencias y velocidades.

DEFORMACIONES EN LOS DIENTES
Durante la operación, los rotores se ven sometidos a tres tipos de deformaciones mecanicas y térmicas, que a su vez provocan deformaciones en el perfil de los dientes:
·         La deflexión de los ejes y engranes debido al momento flexionante provocado por las fuerzas de contacto;
·         La torsión en el eje y el engrane al transmitir el par de trabajo; y,
·         La deformación causada por las diferencias de temperatura dentro del engrane

Para compensar estas deformaciones, es necesario modificar el perfil del diente en forma tal que en condiciones de operación se obtenga un contacto óptimo. Estas modificaciones no permiten usar las superficies de trabajo como referencia de contacto estático sin carga (verificación mediante tinta azul de Prusia). Una práctica común para contrarrestar esta limitación es hacer esta prueba únicamente en las superficies de los dientes que no estarán en contacto durante la operación y que por lo tanto, no se han modificado.

Las modificaciones al perfil de las superficies de contacto y al ángulo de hélice se definen base a la investigación, desarrollo y experiencia de los fabricantes  y por lo tanto, desempeñan un papel determinante en la capacidad, la vida útil y la confiabilidad de un tren de engranes. Es por ello de suma importancia evaluar adecuadamente la historia y los conocimientos del fabricante al seleccionar proveedores de reductores y multiplicadores de velocidad para turbomaquinaria.

ARREGLOS DEL TREN DE ENGRANES
Las transmisiones más comúnmente usadas para turbomaquinaria son de ejes paralelos o de engranes planetarios. Las de ejes paralelos pueden tener engranes helicoidales o de doble hélice mientras en que la planetarias también se pueden incorporar engranes rectos cuyo mantenimiento es más sencillo y tienen menor costo de fabricación. Un refinado sistema de soporte permite que el piñón central encuentre el centro del círculo de paso verdadero para el contacto entre el piñón y los conjunto de engranes planetarios permitiendo la flotación del piñón central para colocarse en posición adecuada para una buena distribución de las cargas.  No se puede exagerar la importancia de una buena calidad de fabricación para lograr el funcionamiento adecuando de este mecanismo.



Mediante un engrane central y varios piñones de alta velocidad se pueden tener salidas múltiples para accionar diferentes etapas de compresores con varios ejes. El modelo Multicom© de Renk-MAAG ofrece hasta 10 etapas de compresión con velocidades que pueden alcanzar las 63,000 rpm.




Como hemos visto, en los engranajes planetarios, la carga se reparte entre varios engranes, permitiendo transmisiones de menor tamaño y peso que se traduce en ahorros en la construcción de la planta y resultan especialmente atractivos para transmisiones marinas, plataformas marinas e instalaciones FPSO (floating, production, storage and offloading), en las que hay poco espacio disponible.


El arreglo preferido para velocidades inferiores s 2000 rpm es con un piñón central como elemento de entrada, una corona fija y la salida mediantes el portador de engranes planetarios. Este patrón puede repetirse para varias etapas sucesivas de reducción. Aunque este arreglo también se usa en reductores y multiplicadores para turbomaquinaria, también se usa el mismo arreglo pero con el portador de engranes planetarios fijo y la salida a través de la corona. Las siguientes gráficas muestran arreglos comúnmente empleados para reductores y multiplicadores de dos etapas.
 




SYSTEMAS DE MONITOREO
Por las arduas condiciones de trabajo y lo crítico de su función, es común que estas transmisiones se suministren de fábrica con sensores de velocidad, vibraciones, temperatura y presión de aceite, así como equipos completos de monitoreo y diagnóstico de condición que permiten la detección temprana de fallas inminentes. Hoy en día, estos sistemas forman parte esencial de la operación y mantenimiento de las plantas modernas de generación de energía.

CONCLUSIÓN
A diferencia de las aplicaciones más comunes que tienen un proceso simple de selección de productos de un catálogo, el diseño, selección, instalación y puesta en marcha de reductores y multiplicadores de velocidad para turbomaquinaria requiere de un análisis cuidadoso de las condiciones de operación y del impacto financiero de la eficiencia y la confiabilidad. La experiencia y reputación del fabricante deben ser una consideración de primer nivel en la decisión de adquisición de estos equipos.


 REFERENCIAS
© Marca registrada de Renk-MAAG GmbH


Gear Thrust Collars and solid couplings instead of thrust bearings and toothed type couplings.