Mendoza egaf11

Mitigación de vibraciones torsionales
en sistemas de propulsión de buque
Laboratorio de Gestión de Activos Físicos
Pontificia Universidad Católica de Chile
XI Encuentro en Gestión de Activos Físicos, Noviembre 2011.

Motivación

MOTIVACIÓN

En el título…
• Detención.
• Definición de rol.
• Disminución de disuasión


MOTIVACIÓN

Más doloroso…

Costo de reparación?…


MOTIVACIÓN


Caso de estudio

CASO ESTUDIO

Sistema de propulsión
Turbina de
baja presión

Propelas

Engranajes
Turbina de
alta presión


CASO ESTUDIO

Objetivo

• Estudiar el torque se produce en el segmento que da hacia
la propela.
• Comparar con un valor nominal entregado según:

En donde
= Torque nominal en la propela = 22,24x106 lb-in
= Velocidad nominal = 8901 rad/seg


CASO ESTUDIO

Parámetros de diseño del sistema de propulsión

Potencia nominal 30000 hp
Torque nominal en la propela 22.24 x 106 in-lb
Número de aspas 5
Frecuencias en los ejes
Propela 175.17 ciclos/min
Alta presión 220.17 ciclos/min
Baja presión 220.17 ciclos/min


CASO ESTUDIO

Parámetros de diseño del sistema de propulsión

Velocidad Razón de
nominal (rpm) giro (α)
Propela 85 1
Eje intermedio de alta presión 799.8 9.409
Turbina de alta presión 6650.1 78.236
Eje intermedio baja presión 799.8 9.409
Turbina baja presión 3403.6 40.042


Modelo

CASO ESTUDIO

Modelo simplificado

I1 I2
K12
I3
I4


RESOLUCIÓN

Modelo simplificado


CASO ESTUDIO

Valores de momentos de inercia y rigidez para el sistema
equivalente
Inercia equivalente Rigidez equivalente
(106 lb-in-s2) (106 lb-in/rad)
Propela I1 2.454 -
I2 0.826 K12 826
Alta presión I3 2.411 K23 2140
I4 1.599 K34 87301
Baja presión I5 1.136 K45 18056
I6 24.200 K56 48925


Resultados

RESOLUCIÓN

Haciendo los cálculos correspondientes se obtienen las
siguientes frecuencias naturales para el sistema:

Frecuencias naturales w(ciclos/min)
1 0
2 177,7100
3 220,1683
4 1,282x103
5 2,497x103
6 2,883x103


RESOLUCIÓN

Velocidad de operación (84.980 RPM)

RESOLUCIÓN

Primer modo: 177,71 c/min


RESOLUCIÓN

Segundo modo: 220,17 c/min


RESOLUCIÓN

Sistema deformado (primer modo propio)

1
Nodo Amplitud
1 1
2 -0.0288
3 -0.0828
4 -0.0832
5 -0.0691
2 6 -0.0834
3 4

5 6


RESOLUCIÓN

Sistema deformado (segundo modo propio)

3 4
Turbina de alta Nodo Amplitud
1 0.00
2 0.00
3 1.00
4 1.00
5 -0.13
1 2 Turbina de baja 6 -0.20
5
6


RESOLUCIÓN

• Sólo dos frecuencias excitan al sistema en el
rango de operación dado.
• Segundo modo propio no provoca torque a
la sección que da a la propela pero sí hacia
el que da a la turbina de alta presión.


RESOLUCIÓN

Cálculo de torque


RESOLUCIÓN

Cálculo de torque

1) Producto del agua
(como si produjera Uso de método de energías
amortiguación) para sistemas amortiguados.


RESOLUCIÓN

Cálculo de torque
Comportamiento
asumido de diseño.
• Tamaño del buque y
peso muy grande en
comparación con el
esfuerzo de propela.
• Cambio de estado
produce un cambio
instantáneo en el
cambio de operación


RESOLUCIÓN

Cálculo de torque

• El cambio instantáneo de la pendiente es el efecto de la
amortiguación del agua.
• Puede definirse como:

Siendo C una constante arbitraria que va entre 1,5 a 2
dependiendo del caso de estudio.


RESOLUCIÓN

Método de balance de energía


RESOLUCIÓN

• Considerando para efectos de cálculo un 10% del torque
nominal como excitación:

• Luego, la energía de entrada producto del torque es:


RESOLUCIÓN

Por otro lado, la energía disipada en la propela:

De la parte anterior, con C = 1,85:

Luego:


RESOLUCIÓN

Y para el sistema :

Usando los valores obtenidos de la deformada del sistema
para el primer nodo propio:


RESOLUCIÓN

Obtención de los torques:

0.0049 equivalencia de desplazamiento para la primera
velocidad crítica en modo amortiguado.


RESOLUCIÓN

Respuesta del sistema:


RESOLUCIÓN

Respuesta del sistema:

Segundo modo
Primer modo


Discusión
Noviembre 2011.

DISCUSIÓN

Amortiguación en el sistema.

1) Producto del agua
(caso estudio
original) Uso de método de energías.


DISCUSIÓN

Amortiguación en el sistema.

2) Modificaciones al
sistema


DISCUSIÓN

Agregando amortiguación en el eje de la propela (pulg*lb-s)
C=10000 C=100000 C=1000000


DISCUSIÓN

• c = 1000000 plg*lb/s.
• Costo? Factible?
• Cambio número de propelas
• Otra opción: cambio en la rigidez.

• A mismas condiciones variar diámetro, alargar tramo
cambio de material.


OPCIONES

Cambiando el número de propelas:

Velocidad de operación

OPCIONES

Haciendo variar las resistencias al eje de la propela (lb*In/rad)


OPCIONES


- Primera frecuencia
natural aumenta
- Sólo el primer modo
propio excitaba el
sistema


OPCIONES


Naturaleza del
torque


OPCIONES

Comparando con situación original

Modificado Original


OPCIONES

Comparación, ¿qué tiene que ver conmigo?
Turbina de
baja presión

Propelas

Engranajes
Turbina de alta
presión


OPCIONES

¿Es tan complicado?


OPCIONES

¿Cuándo?

Posteriori Diseño


Conclusiones

CONCLUSIONES


CONCLUSIONES

• Gestión de equipos con visión del
ciclo de vida…


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