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.
© Marca
registrada de Renk-MAAG GmbH
The Brown Boveri Review Vol XIII
Feb. 1926 https://library.e.abb.com/public/fef62f8998304b4f8bcb75b78f03d624/bbc_mitteilungen_1926_e_02.pdf?x-sign=SSOarekkJ9MPe0kC7JHwdzsQRnX+vLZGmiOtIE1wI4XisgTFo5BkKvxzoLD954nf
Gear Thrust Collars and solid
couplings instead of thrust bearings and toothed type couplings.
Gear
Technology, artículos varios
https://www.geartechnology.com/subjects/high_speed_gear_design_marine_industrial/
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