analysis of frequently propulsion systems vibration

Transcripción

ANALYSIS OF FREQUENTLY PROPULSION SYSTEMS VIBRATION CASES
ANALISIS DE CASOS MÁS FRECUENTES DE VIBRACIONES EN SISTEMAS DE
PROPULSION
Franklin Jhonny Dominguez Ruiz
Tecnavin S.A.; [email protected]; Guayaquil, Ecuador; Tel: +593(9) 84166936
ABSTRACT
This study is a review of propulsion systems cases, in which there have been noise, vibration or
fractures problems. Case studies are presented on passenger vessels, tugboats, tankers, ferry boats.
Addressing each case is based on lateral, torsional, axial vibration analysis, as is the case, analysis
of the possible coupling of frequencies or possible defect or deterioration of a component. Based
on the cases, a summary is presented of inertial masses of each analyzed system to establish
possible problems and benchmark statistical considerations when selecting the components of a
propulsion system.
Calculations are performed using the software ShaftDesigner from Machine Support, Holland and
Torcal from Tecnavin S. A.
RESUMEN
El presente estudio constituye una revisión de casos de Sistemas de Propulsión, en los que se han
presentado problemas de ruido, vibraciones, fracturas. Los casos de estudio son presentados en
naves de pasajeros, remolcadores, tanqueros, lanchas ferry. El abordaje de cada caso se presenta
basado en el análisis de vibraciones, laterales, torsionales, axiales, según sea el caso, análisis del
posible acoplamiento de frecuencias o posible defecto o deterioro de algún componente o defecto
de construcción. En base a los casos presentados, se presenta un resumen de masas inerciales de
cada sistema analizado, para establecer, estadística referencial de problemas y posibles
consideraciones al momento de seleccionar los componentes de un Sistema de Propulsión.
Los cálculos son realizados usando el software ShaftDesigner de Machine Support, Holanda y
Torcal de Tecnavin S. A.
1. Introducción
Frecuentemente se presentan problemas de ruidos y vibraciones en los sistemas de propulsión.
Por esta razón en el presente estudio se presenta análisis de casos de problemas que se ha resuelto
como también el ejemplo de un sistema de propulsión que no presenta ningún tipo de
inconveniente.
Al final se presenta un análisis estadístico del porcentaje de masas inerciales principales que
participan en cada modelo para tener como referencia al momento de definir un sistema de
propulsión.
El presente estudio no pretende ser una publicación con formulaciones sino más bien compartir
la experiencia desarrollada en los sistemas de propulsión.
*TECNAVINS.A.,navalprojects
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E mail: [email protected]
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2. Componentes generales del Sistema de Propulsión:
Los principales componentes de un sistema de propulsión a ser tomados en consideración en
este análisis son como se indican a seguir:
Figura No 1
3. Vibraciones laterales en el Sistema de Propulsión:
Las vibraciones laterales en una línea de propulsión pueden ser causadas por: el efecto
giroscópico de la hélice, desbalanceamiento de empuje, distancia no adecuada entre apoyos o
falta de rigidez en bancadas y/o arbotantes.
Cuando estas vibraciones se presentan en un sistema de propulsión, pueden causar fractura,
falla en los componentes del sistema o en la estructura del buque, produciendo:
• Destrucción completa del sistema de propulsión;
• Reducción de la vida útil de los ejes y/o sus
Componentes;
• Fractura por fatiga en soportes de apoyos y/o
Bases de maquinas;
• Incremento en el desgaste y daño en sellos;
• Excesivo ruido, vibraciones en casco y superestructura
La frecuencia natural de vibraciones laterales y las frecuencias críticas del sistema son
calculadas mediante Método de Elemento Finitos, tomando en consideración los siguientes
términos de referencia:
 El centro de apoyo del bocín cercano a la hélice, se ha tomado a una distancia de un
diámetro del eje, medido desde el borde de soporte del bocín, cercano a la hélice;
 El centro de apoyo de los demás bocines se ha tomado en el centro de la longitud de
apoyo del bocín;
 La masa Inercial de la hélice ha sido calculada por integración de secciones radiales;
 La masa añadida de la hélice ha sido estimada usando la metodología propuesta por
Parsons M. G., et. al. (1980) y con la ayuda del software PRAMAD.
 El modelado de la línea ha sido considerado hasta el cojinete de empuje incluido.
4. Vibración torsional en una línea de propulsión
Las vibraciones torsionales un sistema de propulsión pueden ser producidas por alguna de
estas posibles causas:
 Envejecimiento del amortiguador frontal,
 Mal encendido de un cilindro,
 Acople flexible no adecuado,
 Exceso de diámetro en la línea de propulsión, entre otros.
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Las excitaciones más frecuentemente usadas en el análisis torsional, son generadas por el
propulsor y el motor de combustión interna.
 Para las excitaciones del propulsor, las Sociedades Clasificadoras recomiendan los
valores en porcentajes del torque de la hélice.
 Para las excitaciones del motor propulsor, normalmente esta información es
proporcionada por los fabricantes de los motores. En ausencia de esta información se
puede usar los componentes armónicos tangenciales provistos por la Lloyd’s Register.
Las vibraciones torsionales ocasionadas en un sistema de propulsión pueden causar fractura,
falla en los componentes del sistema, daños en los engranajes, destrucción prematura de los
acoples flexibles.
Frecuentemente las fracturas en ejes o cigüeñales, por efecto torsional, se presentan en
dirección de 45 grados.
La metodología de modelado de un sistema de propulsión para análisis torsional se basa en la
ecuación:
(1)
Donde [I], [C], [K], [F (t)], son las matrices de masa inercial,
amortiguamiento, rigidez y excitación respectivamente.
Las frecuencias naturales de vibraciones torsional y las respuestas del análisis forzado del
sistema son calculadas mediante Método Matricial de solución, tomando en consideración los
siguientes términos de referencia:
 Incluir el amortiguador frontal con sus inercias, rigideces y amortiguador relativo;
 Incluir masas inerciales y amortiguador absoluto de cilindros, rigidez de cigüeñal;
 Incluir el acople flexible con sus masas inerciales, rigideces, amortiguador relativo y
límite de disipación de energía;
 Incluir la caja reductora con sus masas inerciales, rigideces, diámetros, rigideces de los
dientes de engranajes. Se debe evitar sintetizar los ramales de la caja reductora;
 Ejes de propulsión: Adicionar tantas masas inerciales como sean necesarias en caso de
cambios de sección.
De la confiabilidad de datos de entrada, dependerá la exactitud de los cálculos de respuesta del
sistema, por eso se recomienda solicitar la información de masas inerciales, rigideces y
amortiguamiento a los mismos fabricantes de los equipos.
Para la masa añadida y amortiguadores del propulsor, se ha usado la metodología propuesta
por Parsons M. G., et. al. (1980) y el software PRAMAD.
A seguir se presenta un ejemplo de modelado de masas inerciales sin ramales:
Figura No 2
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5. Análisis de Vibraciones en una línea de propulsión
Las vibraciones ocasionadas por un sistema de propulsión pueden ser causadas por efecto
lateral, torsional, axial o sus posibles acoplamientos de frecuencias.
La configuración adecuada de los elementos de un sistema de propulsión, la separación de
apoyos, la rigidez de soportes y/o arbotantes deben ser realizados tomando en consideración
las recomendaciones de las Sociedades Clasificadoras y los fabricantes de los componentes
del sistema.
En los casos que se muestran a seguir, se ha realizado el cálculo de frecuencias en las tres
orientaciones: lateral, torsional y axial, para luego verificar el posible acoplamiento de
frecuencias del sistema con la estructura.
Los casos de estudio a analizarse en el presente estudio son como se indica:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Selección inadecuada del acople flexible en buque tanquero
Cambio de hélice en buque tanquero
Separación inadecuada de apoyos en buque de pasajeros
Alteración en el distancia entre apoyos de un remolcador
Restricción en el rango de operación de yate de turismo
Rigidez inadecuada en arbotantes y separación inadecuada de apoyos
Selección inadecuada de acople flexible y diámetro de eje propulsor en barco pesquero
Ejemplo de un Sistema de propulsión sin problemas de vibración
1. Caso de estudio: Selección inadecuada del acople flexible en buque tanquero
TIPO:
BUQUE TANQUERO
ESLORA:
103.35M
MOTOR:
1300 KW MCR
RPM:
500
HELICE:
CPP
El presente caso fue analizado por solicitud de re motorización. Se ha realizado el
análisis de frecuencias tanto para vibraciones lateral y como para torsional.
De análisis se encuentra que el acople flexible está sub dimensionado, por lo que se
recomienda:
 Cambiar el acople flexible, de acuerdo a las necesidades del sistema;
 Operar el sistema en forma restringida hasta que pueda ser reemplazado el
mencionado acople flexible.
 Disminuir potencia desarrollada por la hélice de paso controlable, en
condición de mal encendido.
Figura No 3
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Figura No 4
Figura No 5
2. Caso de estudio: Cambio de hélice en buque tanquero
TIPO:
BUQUE TANQUERO
ESLORA:
120.55M
MOTOR:
2574 KW MCR
RPM:
200 – 620
HELICE:
FPP
El presente caso fue analizado por solicitud de cambio de hélice con mayor peso.
La hélice original presento fisuras y desprendimientos de sección en varias aspas.
Se ha realizado el análisis de frecuencias tanto para vibraciones lateral y como para
torsional.
De análisis se encuentra que al mantener los componentes originales del sistema, con la
nueva hélice, el rango de operación en condición de mal encendido de un cilindro se
restringiría desde 200 hasta 417 rpm.
Figura No 6
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Figura No 7
3. Caso de estudio: Separación inadecuada de apoyos en buque de pasajeros
TIPO:
BUQUE PASAJEROS
ESLORA:
78.40M
MOTOR:
782 KW MCR
RPM:
600 – 1800
HELICE:
FPP
El presente caso fue analizado por solicitud de re motorización y porque ha comenzado a
sentirse vibración en el primer descanso del eje de propulsión contado desde el reductor.
Se ha realizado el análisis de frecuencias tanto para vibraciones lateral y como para
torsional.
Figura No 8
Figura No 9
De análisis lateral se encuentra que las frecuencias naturales y frecuencias críticas del
sistema están en el rango de trabajo.
Tabla No 1
En base a este análisis se reviso la estructura de soporte del primer descanso y se encontró
que la estructura estaba corroída.
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Se recomendó relocalizar las bancadas para minimizar que las frecuencias del sistema se
encuentren en el rango de trabajo.
4. Caso de estudio: Alteración en la distancia entre apoyos de un remolcador:
TIPO:
|
REMOLCADOR
ESLORA:
34.90 M
MOTOR:
1566 KW MCR
RPM:
600 – 1800
HELICE:
FPP + TOBERA FIJA
El presente caso fue analizado por solicitud de la presencia de ruido persistente en el
sistema de propulsión en el intervalo de 650 a 700 RPM.
Se solicitó realizar mediciones de vibraciones con acelerómetro triaxial.
Con estas lecturas de vibración, se detecta desgaste en los engranajes de caja reductora
(Backlash excesivo).
Se realizó el análisis de frecuencias tanto para vibraciones lateral como para torsional,
tomando en consideración el desgaste de dientes de engranajes y la posible reubicación del
apoyo del empacador.
Haciendo un análisis de sensibilidad se encontró que con un incremento en el desgaste de
los dientes de engranajes, una posible reubicación de este descanso en 300 mm, daría
posibilidad a que entren en resonancia la frecuencia lateral con la torsional.
Figura No 10
Resultado del análisis de posible acoplamiento entre las vibraciones laterales y torsional del
sistema asumido:
Tabla No 2
Recomendación de reparación
Revisar el empacador y restaurar el bocín a su posición original.
Revisar la condición estructural de la tobera.
Con la relocalización del bocín del empacador como esta sugerida, se espera
incrementar la frecuencia lateral del sistema de 1527 RPM (modo 1 orden 1Z) a
1580 RPM (modo 2 orden 2Z+1), por lo que se esperaría una ligera vibración a
velocidades cercanas a 1600 RPM.
5. Caso de estudio: Restricción en el rango de operación de yate de turismo
TIPO:
YATE DE TURISMO
ESLORA:
35.40 M
MOTOR:
2 X 328 KW MCR
RPM:
HELICE:
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600 – 1800
FPP
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El presente caso fue analizado por presentarse fractura de contra eje de propulsión.
Se realizó el análisis de frecuencias tanto para vibraciones lateral como para torsional.
Al revisar el sistema se encuentra que el contra eje presenta cambio brusco de sección,
cercano a la brida del reductor, lo cual causa concentración de esfuerzos, aumentando el
riesgo de fractura del contra eje.
A partir del análisis de vibraciones se encuentra que en el rango de operación en cercano a
900 rpm, se presenta elevado torque vibratorio en el acople flexible, por lo que se
recomienda restringir la operación en este rango de RPM hasta cambiar el acople flexible.
Figura No 11
6. Caso de estudio: Falta de rigidez en arbotantes y separación inadecuada de
apoyos
TIPO:
YATE DE TURISMO
ESLORA:
39.07 m
MOTOR:
2 x 255 Kw MCR
RPM:
600 – 1800
HELICE:
FPP
El presente caso fue analizado por la presencia de ruido y vibraciones en el rango de 850 a
950 RPM, en ambas bandas.
Se realizó el análisis de frecuencias tanto para vibraciones lateral como para torsional. Se
hizo una estimación de frecuencias en los arbotantes usando el método de Elementos
Finitos.
A partir de estos análisis se concluye que debido a la posibilidad de acoplamiento de
frecuencias:
 La estructura del arbotante no tiene suficiente rigidez,
 Separación inadecuada de apoyos.
ARBOTANTE
BOCIN
TUNEL
EMPACADOR
BRIDA
REDUCTOR
HELICE
Figura No 12
7.- Selección inadecuada de acople flexible y diámetro de eje
propulsor en barco
pesquero:
TIPO:
BARCO PESQUERO
ESLORA:
19.21 m
MOTOR:
2 X 317 KW MCR
RPM:
450 – 1225
HELICE:
FPP
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
El presente caso fue analizado por encontrarse vibraciones excesivas en el buque.
Se realizó el análisis de frecuencias tanto para vibraciones lateral como para torsional.
A partir de los análisis se concluyó:
 El acople flexible tiene exceso de rigidez (bloques de caucho originales). Se recomienda
adquirir otro acople con menos rigidez.
El eje de propulsión original de diámetro 4 pl. SAE C1018, está produciendo frecuencias dentro del
rango de trabajo. Se recomienda cambiar el eje propulsor con uno de menor diámetro 3.5 pl. de
material Aqualoy.
Figura No 13
RESUMEN DE MASAS INERCIAS PARA LOS SISTEMAS ANALIZADOS
Para resumir los casos de estudio presentados, en la tabla que se indica a seguir se ha resumido las
masas inerciales de cada equipo / componente, de tal manera de relacionar en forma estadística el
porcentaje de masas inercia que deberían ser considerado antes de seleccionar en forma definitiva
un equipo o componente.
Tabla No 3
Agradecimientos:
Debemos expresar nuestra gratitud a todas las empresas que nos han confiado la solución de los
problemas de ruido y vibraciones. Un especial agradecimiento al personal de:
 Tecnavin S. A. por el desarrollo del software TORCAL, dedicado al análisis de vibraciones
torsionales;
 La empresa Machine Support, Holanda, por permitirnos usar el software
SHAFTDESIGNER;
 La empresa Vulkan, Alemania, por el soporte técnico ofrecido.
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Referencias Bibliográficas:
1. Caterpillar, “Performance Parameters, TM3310”, 2009
2. Den Hartog J. P., “Mechanical Vibrations”, 1966
3. Nestorides E. J., “A Handbook on Torsional Vibration”, B.I.C.E.R.A., 1958
4. Parsons M. G., Vorus W. S., Richard E., “Added Mass and Damping of Vibrating
Propellers”, The University of Michigan, 1980
5. Parsons M. G., “NA 531, Marine Propulsion Plant Vibration”, Notes, The University of
Michigan, 1981
6. Tecnavin S. A., “Manual de usuário de TORCAL V9-25”, 2012.
7. Vulkan, “Technical Data”, 2012.
8. Wilson Ker, “Practical Solution of Torsional Vibration Problems”, 1948
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