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Tecnologías para Maquinaria Rotacional

Aseguramiento de Diseño Mecánico

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  El servicio de diseño de auditorías que ofrece el Southwest Research Institute (SwRI) ayuda tanto a los fabricantes de equipo original (OEMs por sus siglas en inglés) como a los usuarios finales, para evitar vibraciones graves y otros fenómenos dinámicos dañinos a las instalaciones de maquinaria.
 

El servicio de diseño de auditorías que ofrece el Southwest Research Institute (SwRI) ayuda tanto a los fabricantes de equipo original (OEMs por sus siglas en inglés) como a los usuarios finales, para evitar vibraciones graves y otros fenómenos dinámicos dañinos a las instalaciones de maquinaria.

El software disponible comercialmente y el desarrollado internamente, junto con la experiencia de campo en instalaciones anteriores, son utilizados por los ingenieros de Southwest Research Institute (SwRI) para:

  • Predecir las características dinámicas del sistema

  • Evaluar el potencial de desarrollo de problemas
    Identificar las modificaciones que pueden reducir la posibilidad de problemas

  • Identificar los rangos de operación que se deban evitar

  • Definir cualquier área de riesgo o incertidumbre a ser validada durante la puesta en operación

Los servicios de aseguramiento en el diseño cubren:

  • Velocidades laterales críticas del sistema del rotor y estabilidad

  • Estado estable y vibraciones de torsión transitoria
      Pruebas en instalaciones para validar las predicciones rotordinámicas y las propiedades de los componentes.
     

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

  • Chumaceras, rigidez, amortiguamiento y capacidad de carga.

  • Bastidores de la turbina y el compresor

  • Integridad mecánica para los impulsores y otros componentes

  • Rendimiento de la Turbomaquinaria

  • Control de pulsaciones en los sistemas de tubería de la maquinaria

  • Flexibilidad térmica y vibración de los sistemas de tuberías

  • Administración de las condiciones de flujos inversos y otras condiciones que desajustan el sistema

  • Pruebas modales

  • Auditorías de Diseño Mecánico y Rotordinámicas

Modelado Rotordinámico

Los ingenieros de SwRI desarrollan modelos de masa elástica, como muestra el diagrama de abajo, para los componentes rotatorios (por ejemplo, compresores, turbinas, bombas, motores y flechas de cajas de engranajes. El modelo resultante permite la predicción de las características dinámicas del sistema del rotor, tales como:

  • Velocidades laterales críticas

  • Velocidades de torsión críticas

  • Respuesta a una excitación por desequilibrio

  • Estabilidad

 

Los ingenieros de SwRI usan modelos de computadora, tales como el modelo de masa elástico para predecir el funcionamiento del sistema.

 

Los ingenieros de SwRI usan modelos de computadora, tales como el modelo de masa elástico para predecir el funcionamiento del sistema.

   
 

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

 

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

   
 

Predicción de modos de vibración de la caldera de una turbina de gas montada sobre bastidor.

 

Predicción de modos de vibración de la caldera de una turbina de gas montada sobre bastidor.

Mapa de Velocidad Crítica

Los mapas de velocidad crítica, como el que se muestra, ayudan a los ingenieros de SwRI a evaluar un sistema de maquinaria de rotor. En combinación con las curvas de rigidez de rodamientos, el mapa de velocidad crítica, donde la velocidad crítica probablemente ocurrirá. El mapa indica la efectividad de la amortiguación de los rodamientos al controlar las amplitudes de vibración. El mapa de velocidad crítica también muestra la posible efectividad de cambiar la rigidez de los rodamientos o sus soportes al cambiar la velocidad crítica.

Chumaceras

Las chumaceras de zapata basculante, de película fluida, influyen en la dinámica de los sistemas de rotor de la turbomaquinaria. Las chumaceras de película fluida actúan como elementos dinámicos altamente cargados en los motores alternativos. Las chumaceras de elementos rotatorios cuentan con los rotores de alta velocidad de los motores de turbinas de gas de las modernas aeronaves y sus derivados en generación de energía y servicio mecánico. Los amortiguadores de película presionable ayudan a moderar los niveles de vibración resonante en los motores de turbina de gas y algunos fabricantes los usan para estabilizar los compresores centrífugos de alto rendimiento. Para las chumaceras y los amortiguadores, SwRI cuenta con capacidades que incluyen:

  • Modelado

  • Aplicación

  • Medición de vibración y temperatura

  • Monitoreo de condiciones

  • Análisis de falla de chumaceras y amortiguadores

Análisis Dinámico de Elementos Finitos

Los ingenieros de SwRI complementan sus servicios de resolución de problemas y análisis de falla en campo con análisis de elementos finitos para diagnosticar las causas y desarrollar soluciones de diseño.

 

Por ejemplo, una máquina puede experimentar un problema resultante de alguna frecuencia de resonancia inesperada o una alta flexibilidad del local. Cualquier elemento débil en el sistema, una alta carga dinámica inesperada, o una sensibilidad excesiva a las cargas dinámicas conocidas puede llevar a una falla estructural. Las predicciones de elementos finitos, confirmadas con observaciones en campo, permitieron identificar las ubicaciones de alta tensión que llevaron a las fallas de agrietamiento por un esfuerzo de corrosión en la rueda de este compresor centrífugo. Este análisis guió los cambios en el diseño que mejoraron la integridad del compresor.

 

El análisis de elementos finitos ayuda a encontrar los factores correctivos que hacen que el análisis sea simplificado pero con mayor efectividad de costos y tan preciso como sea posible. Este enfoque proporciona los factores de flexibilidad para las juntas de tubería reforzada, factores de ajuste para calcular las fuerzas transmitidas por los compresores reciprocantes a sus cimientos, y el efecto de rigidez del rotor de los despliegues de interferencia en las turbomáquinas.

  Servicio a un oleoducto de compresor accionado por una turbina de gas y evaluación de velocidades de torsión crítica.
 

Servicio a un oleoducto de compresor accionado por una turbina de gas y evaluación de velocidades de torsión crítica.

Evaluación de Integridad Estructural

SwRI aplica métodos de elementos finitos para evaluar las características dinámico-estructurales de turbinas de gas montadas en bastidor en la generación de energía o servicio de accionamiento mecánico.

La ilustración que aparece a la derecha muestra un modo de vibración de una turbina de gas identificado mediante el análisis de elementos finitos. El predecir la respuesta armónica a las fuerzas dinámicas aplicadas ayuda a los ingenieros de SwRI a evaluar la severidad de la vibración de resonancia. La animación ayuda a identificar los elementos que contribuyen más fuertemente a los modos problemáticos de vibración y aclara las ubicaciones más efectivas para reforzar o rigidizar la estructura.

Pruebas Modales de Características del Sistema y sus Componentes

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

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

Las pruebas modales que usan un martillo o agitador instrumentado ayudan a definir importantes características dinámicas de un componente o sistema. Las pruebas modales de este generador-turbina hidráulico LNG, con excitación mediante un agitador, confirmaron el modelo desarrollado por SwRI para la flexibilidad angular de una junta con empaques entre la turbina y la placa superior. Esta flexibilidad domina un modo de vibración estructural en el cual toda la turbina oscila por la junta con empaque. El análisis modal confirmó la predicción de que este modo estructural ocurriría a una frecuencia muy por debajo de la velocidad de operación y que el torque de los pernos que comprimen el empaque no influiría sobre la frecuencia modal (fotografía cortesía de Ebara International, División Criodinámica).

SwRI puede ofrecerle una amplia gama de capacidades y experiencia en tecnologías de maquinaria rotatoria, incluyendo convertirse en una extensión de su departamento de ingeniería. Para mayor información sobre las tecnologías de maquinaria rotativa en SwRI o sobre cómo contratar con SwRI, favor de comunicarse con Klaus Brun, Ph.D., en la siguiente dirección kbrun@swri.org o al teléfono +1 210 522-5449.

 

maquinaria.swri.org

  

Información de Contacto

Klaus Brun, Ph.D.

Aseguramiento de Diseño Mecánico

+1 210 522-5449

kbrun@swri.org

maquinaria.swri.org

Terminología Relacionada

maquinaria de última tecnología

velocidades críticas

dinámica estructural

rotodinámicas

modelización de elementos finites

integridad structural

maquinaria de los sistemas de tuberías

turbinas de gas

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August 07, 2014