CONTACTO:
Klaus Brun
Aseguramiento de
   Diseño
(210) 522-5449
E-mail: Klaus Brun

(English)

TÉRMINOS CLAVE:
tecnología de
maquinarias
velocidades críticas
dinámica estsructural
rotordinámica
chumaceras/cojinetes
modelado del
elemento finito
integridad estructural
instalaciones de
maquinaria
sistemas de tuberías
de maquinaria
 

Los servicios de aseguramiento de diseño del Southwest Research Institute (SwRI) ayudan a empresas en operación y a sus proveedores en la prevención de vibraciones severas y otros fenómenos dinámicos dañinos en la instalación de maquinaria.

El SwRI utiliza software tanto comercial como internamente desarrollado, conjuntamente con su experiencia de campo en instalaciones ya existentes para:

• Predecir las características dinámicas del sistema

• Evaluar el potencial de problemas

• Identificar modificaciones que reducirán la probabilidad de problemas

• Identificar los rangos de operación que deben evitarse

• Definir cualesquier áreas de riesgo o incertidumbre que habrán de validarse durante el arranque.

Los servicios de aseguramiento de diseño cubren:

• Velocidades críticas laterales y estabilidad del sistema rotor

• Vibraciones torsionales en estado firme y transitorias

• Chumaceras, rigidez, amortiguamiento y capacidad de carga

• Patines de turbina y compresor

• Integridad mecánica de impulsores y otros componentes

• Desempeño de la turbomaquinaria

• Control de pulsaciones en los sistemas de tuberías de las máquinas

• Flexibilidad térmica y vibración de los sistemas de tuberías

• Manejo de reflujo [surge] y otras condiciones de alteración del sistema

• Prueba Modal

Modelado Rotordinámico

Los ingenieros del SwRI utilizan modelos computacionales, como este modelo maso-elástico para predecir el desempeño del sistema.

Los ingenieros del SwRI desarrollan modelos maso-elásticos, como se muestra en este diagrama, para componentes rotatorios (p. ej. compresores, turbinas, bombas, motores y flechas de caja de engranes), considerando, donde sea lo adecuado, el efecto de rigidez lateral de las juntas de interferencia. El modelo resultante permite predecir las características dinámicas del sistema rotor, tales como:

• Velocidades críticas laterales

• Velocidades críticas torsionales

• Respuesta a excitación de desbalanceo

• Estabilidad

El mapa de velocidad crítica dirige la evaluación de las características rotordinámicas.

Mapa de Velocidad Crítica

Los mapas de velocidad crítica, como éste, ayudan a los ingenieros del SwRI a evaluar el sistema rotor de una máquina. En combinación con las curvas de rigidez de las chumaceras, el mapa de velocidad crítica muestra dónde pueden ocurrir las velocidades críticas. El mapa indica la efectividad del amortiguamiento de los cojinetes/chumaceras para controlar las amplitudes de la vibración. El mapa de velocidad crítica revela también la efectividad probable del cambio de rigidez en las chumaceras o en sus soportes al cambiar una velocidad crítica.

Chumaceras / Cojinetes

Predicción de modos de vibración de una caldera de turbina de gas montada en patín.

Las chumaceras de película de fluido y de zapata basculante influencian la dinámica de los sistemas rotores de turbomaquinarias. Las chumaceras de película de fluido actúan como elementos dinámicos altamente cargados en motores reciprocantes. Las chumaceras de rodillos llevan los rotores de alta velocidad de los motores de turbinas de gas de las aeronaves modernas y sus derivativos en el servicio de generación de energía e impulso mecánico. Los amortiguadores de película prensada ayudan a moderar los niveles moderados de vibración resonante en motores de turbina de gas y algunos fabricantes los utilizan para estabilizar compresores centrífugos de alto desempeño. Para chumaceras y amortiguadores, el SwRI cuenta con capacidades que incluyen:

• Modelado

• Aplicación

• Medición de vibración y temperatura

• Monitoreo de condición

• Análisis de falla de chumaceras y amortiguadores

Análisis Dinámico de Elemento Finito

El análisis de esfuerzo de rueda impulsora centrífuga ayuda a diagnosticar y evitar fallas.

Los ingenieros del SwRI complementan sus servicios de solución de problemas de campo y de análisis de falla con el análisis de elemento finito para diagnosticar las causas y desarrollar soluciones de diseño.

Por ejemplo, una máquina puede presentar un problema resultante de una frecuencia resonante inesperada o por una alta flexibilidad local. Un elemento débil en el sistema, una carga dinámica inesperadamente alta o una sensibilidad excesiva de las cargas dinámicas conocidas pudieran ocasionar falla estructural. Las predicciones de elemento finito, confirmadas mediante observaciones en campo, identificaron puntos de alto esfuerzo que llevaron a fallas de corrosión y de fisuras en la rueda de este compresor centrífugo. Este análisis indicó los cambios de diseño que mejoraron la integridad del compresor.

El análisis de elemento finito ayuda a encontrar los factores de corrección que darán un análisis más efectivo en costos pero simplificado y tan preciso como es posible. Este enfoque proporciona factores de flexibilidad para juntas reforzadas en las tuberías, factores de ajuste para el cálculo de las fuerzas transmitidas por los compresores reciprocantes hacia sus cimientos y el efecto de endurecimiento del rotor en las juntas de interferencia de las turbomáquinas.

Operación de tuberías de compresor energizado por turbina de gas; evaluación de velocidades torsionales críticas.

Evaluación de Integridad Estructural

El SwRI aplica métodos de elemento finito para evaluar las características dinámicas estructurales de turbinas de gas montadas en patines para los servicios de generación de energía o de impulso mecánico.
La ilustración (derecha) muestra un modo de vibración de turbina identificado mediante el análisis de elemento finito. La predicción de respuestas armónicas a las fuerzas dinámicas aplicadas ayuda a los ingenieros del SwRI a evaluar la severidad de la vibración resonante. La animación ayuda a identificar los elementos que contribuyen más enérgicamente con los modos de vibración más problemáticos y aclara las ubicaciones más efectivas para reforzar o endurecer la estructura.

Prueba Modal para Componente y Características de Sistema

Prueba en instalaciones para validar las predicciones rotordinámicas y las propiedades de los componentes

La Prueba Modal ayuda a definir importantes características dinámicas de un componente o sistema utilizando un martillo instrumentado o un agitador La prueba modal de este generador hidráulico de turbina LNG, con excitación por agitador, confirmó el modelo desarrollado por el SwRI para flexibilidad angular de la junta empacada entre la turbina y la placa superior. Esta flexibilidad domina el modo de vibración estructural en el que se balancea la turbina completa en torno de la junta empacada. El análisis modal confirmó la predicción de que este modo estructural ocurrirá a una frecuencia mucho más baja que la velocidad de funcionamiento y que el torque de los pernos que comprimen el empaque no influencían la frecuencia modal. (foto por cortesía de Ebara International, Cryodynamics Division).

Si tiene alguna pregunta sobre tecnología de turbinas de gas o aseguramiento de diseño, sírvase enviar un correo electrónico a Klaus Brun o llamar al (+210) 522-5449.

Departamento de Ingeniería Mecánica y Fluidos
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Southwest Research Institute^® (SwRI^®), Con oficina principal en San Antonio, Texas, es una organización multidisciplinaria, independiente, no lucrativa de investigación de ingeniería aplicada y ciencias físicas con divisiones técnicas 11.