Chumaceras

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CHUMACERAS RADIALES DE GEOMETRIA FIJA

PRINCIPIOS DE OPERACION

Casi toda maquina industrial pesada utiliza algún tipo de chumaceras de película fluida para soportar el peso del eje y controlar el movimiento causado por las fuerzas desbalanceadas, fuerzas aerodinámicas y excitaciones externas de los sellos y acoples. Las dos principales ventajas de las chumaceras de película fluida sobre los cojinetes de elementos rodantes son su superior capacidad para absorber energía, para amortiguar vibraciones y su longevidad debido a la ausencia de esfuerzos de contacto rodante. La amortiguación es muy importante en muchos tipos de maquinas rotativas donde las chumaceras de película fluida son a menudo la principal fuente de absorción de energía necesaria para controlar las vibraciones. Estas chumaceras también juegan un papel importante para determinar la estabilidad rotodinámica, convirtiendo su selección y aplicación en un paso crucial en el desarrollo de sistemas de rotor – chumaceras.

Las chumaceras de geometría fija difieren de las chumaceras de dados pivotados en que las de geometría fija no tienen partes móviles, haciendo los lóbulos o arcos estacionarios alrededor del eje. Abajo se ilustra una vista esquemática del perfil de presión y la excentricidad del eje en una chumacera radial de dos ranuras axiales, operando bajo una carga del eje estable hacia abajo. En la figura, la rotación del eje es en sentido contrario al reloj. El perfil de presión hidrodinámico generado es sobre puesto a lo largo del arco cargado inferior. El espesor mínimo de película y la distancia de descentre del eje (excentricidad del eje) se denominan como h (min) y "e", respectivamente.

 

A medida que el eje es forzado desde su posición centrada por la carga hacia abajo, la holgura de la chumacera se convierte en una cuña convergente – divergente. El aceite es suministrado a través dos ranuras axiales localizadas diametralmente opuestas una de la otra en la línea de división horizontal. Después de entrar, el aceite es conducido por la fricción del eje dentro de la holgura radial convergente donde es comprimido a una presión mucho mayor, dando a la chumacera su capacidad de soportar la carga. Obsérvese que el eje no se mueve verticalmente hacia abajo bajo la carga vertical, sino que también se mueve en la dirección (X positiva) horizontal. Esto es debido a los efectos de fuerzas – cruzadas que son inherentes a las chumaceras radiales de geometría fija. Estos efectos pueden contribuir a inestabilidad rotodinámica en algunas aplicaciones.

Se han desarrollado varios diseños de chumaceras de geometría fija para satisfacer las necesidades de funcionamiento especificas de algunos equipos. Abajo se muestran 6 diseños de los más comúnmente usados. Las ventajas y desventajas de cada uno se discuten adelante.

CHUMACERA RADIAL PLANA

Este es el diseño más común de chumacera radial, donde el eje esta totalmente encerrado por una cubierta cilíndrica plana. No hay precarga porque la superficie de la chumacera es concéntrica con la superficie del eje. Estas chumaceras tienen la más alta cupla cruzada de todas las chumaceras, por lo que es el diseño más desestabilizante rotodinámicamente; son adecuadas para ejes de baja velocidad altamente cargados los cuales no están sometidos a Inestabilidad rotodinámica. Las ventajas son su bajo costo y fácil fabricación. Algunos ejemplos incluyen las chumaceras de cigüeñales de automotores, turbomaquinaria altamente cargada y muchas otras aplicaciones.

CHUMACERAS CON RANURAS AXIALES

L chumacera con ranuras axiales es similar a la chumacera plana, pero con dos o más ranuras adicionales para el suministro de aceite. Igual a la chumacera plana, no hay precarga y tiene una alta tendencia a la inestabilidad. Las ventajas son su bajo costo y fácil fabricación. Estas chumaceras son muy comunes en muchos tipos de maquinaria comercial incluyendo turbinas, generadores, motores, bombas y compresores.

CHUMACERAS ELIPTICAS (TIPO LIMON)

Las chumaceras elípticas o de diámetro tipo limón son una variación de las chumaceras de ranuras donde la holgura se reduce en la dirección vertical para producir precarga y mejorar la estabilidad. Sin embargo, esta chumacera aun genera esfuerzos de cupla cruzada, los cuales contribuyen a inestabilidad y no siempre es suficiente para eliminar el giro del rotor. Las chumaceras elípticas relativamente son de bajo costo y de fácil fabricación. Se pueden fabricar maquinando el perfil circular usando calzas insertadas en la junta horizontal; luego se retiran las calzas y se reensambla la chumacera obteniendo una holgura vertical reducida con el eje. Estas chumaceras se utilizan en maquinaria pesada que requiere buenas características de estabilidad.

CHUMACERAS DE LOBULOS MULTIPLES

Las chumaceras de lóbulos múltiples que son maquinadas con diámetros mayores que la tolerancia diametral del eje, creando una precarga. Esto produce un efecto de estabilización sobre el eje y puede aumentar la capacidad de carga. Sin embargo, también puede consumir mas potencia debido a la precarga. Estas chumaceras pueden ser bidireccionales o unidireccionales, dependiendo de si los lóbulos tienen simetría (desfase de 0.5) o simetría (desfase >0.5). Las chumaceras de lóbulos múltiples son costosas y difíciles de maquinar debido a las operaciones de precisión en el maquinado que se requieren. Comúnmente se usan en maquinas pequeñas, de alta velocidad que requieren alta capacidad de carga o alta estabilidad.

 

CHUMACERAS DE DIQUE DE PRESION

La chumacera de ranura de presión es una chumacera de geometría fija muy útil para mejorar la estabilidad rotodinámica. Se fresa una especie de bolsillo en la mitad superior (no cargada) de la chumacera el cual termina en un borde abrupto o dique. Allí se crea un pico de presión debido a los efectos de inercia del fluido. Este pico de presión ejerce una carga hacia abajo sobre el eje, forzándolo a una mayor excentricidad la que inherentemente mejora la estabilidad debido a la asimetría que se induce en la rigidez y amortiguación. Estas chumaceras producen relativamente altas perdidas de potencia debido a la carga que generan. No son adecuadas para aplicaciones donde hay cambios en la dirección de la carga porque la mitad superior está maquinada con el dique.

El dique también la restringe para operación unidireccional y el aceite se debe conservar limpio para prevenir la acumulación de lodo en el bolsillo. La fabricación de esta chumacera es más difícil y costosa que las chumaceras planas o elípticas ya que el dique es fresado en forma separada del diámetro y debe ser muy preciso. Se utilizan principalmente en aplicaciones de alta velocidad para mejorar la estabilidad en reemplazo de otros tipos de chumaceras de geometría fija.

En la fotografía de abajo se muestra una chumacera radial sencilla desarmada. Este es un diseño con dos ranuras axiales con grandes bolsillos de alivio en los puntos de suministro de aceite. En un lado está integrada la brida de empuje axial; el aceite se suministra a través de los dos bolsillos grandes en la línea de la junta horizontal y se drena a través de las ranuras circunferenciales en cada extremo de la superficie de la chumacera.

 

CHUMACERAS DE DADOS PIVOTADOS

La chumacera de dados pivotados es el diseño más recomendado universalmente para maquinaria que requiere máxima estabilidad rotodinámica. Consecuentemente se ha convertido en la norma con la cual se comparan otras chumaceras radiales. La alta estabilidad rotodinámica viene por la reducción de la rigidez cruzada que ocurre cuando los dados están libres de oscilar sobre sus puntos de pivote individuales. Esto atenúa las fuerzas tangenciales desestabilizantes del aceite que pueden inducir vibraciones subsincrónicas catastróficas en maquinas equipadas con chumaceras de geometría fija convencional. Las chumaceras de dados pivotados se utilizan en maquinas con rangos desde baja velocidad hasta altas velocidades, tales como turbocargadores y compresores, hasta equipos muy grandes como turbinas de vapor y generadores.

En la chumacera de pivote curvo, los dados pueden pivotar solamente alrededor de una coordenada axial, mientras que la de pivote esférico puede pivotar alrededor de ambas coordenadas tanto axial como tangencial. Este grado de libertad adicional en el diseño de pivote esférico ofrece la ventaja de permitir cierto desalineamiento del eje. El pivote esférico también tiende a durar mas que el pivote curvo porque la superficie de contacto tiene una menor unidad de carga que la línea de contacto del pivote curvo y el movimiento de deslizamiento entre la bola y la cavidad del dado ayuda a evitar desgaste por fricción. Igual que la chumacera de geometría fija, hay una capa delgada de babbitt (de 0.002" a 0.005") aplicada a la superficie de la chumacera para proteger el eje.

 

Chumacera de dados con pivote esférico



Chumacera De Dados Pivotados De 5 Dados, Con Pivote Esférico, Parcialmente Desarmada

 

CHUMACERAS DE EPUJE AXIAL

Las chumaceras de empuje axial tienen como función en los equipos rotatorios, soportar el empuje generado por las fuerzas dinámicas del fluido (líquido o gas) en la dirección del eje.

Factores de diseño de chumaceras de empuje de temperatura reducida para aplicaciones de alta velocidad y alta carga:

    • Pivote descentrado para aumento de la capacidad de carga.
    • Dados de Cromo - cobre (ampcoloy) para una mayor disipación de calor.
    • Barras de dispersión de suministro de aceite para una ,mayor efectividad del aceite frío de entrada.
    • Drenaje abierto para permitir que el aceite caliente salga fácilmente de la caja de la chumacera reduciendo así las pérdidas por turbulencia.
    • El diseño de eslabones de nivelación permite auto nivelación de cada dado para una óptima distribución de la carga.

 

 

INFORMACIÓN REQUERIDA PARA REALIZAR EL ANÁLISIS DE UNA CHUMACERA

a.       Dimensiones geométricas: longitud axial, diámetro del eje, orientación de la carga, holgura de la chumacera (Cb), holgura de los dados (Cp), descentre del pivote, arco del dado, precarga (La precarga del dado es la cantidad de convergencia y divergencia que se genera dentro de la película de aceite a través de la geometría del dado)

  1. Cargas en las chumaceras
  2. Propiedades del lubricante: viscosidad, densidad, calor específico, conductividad térmica

 

Resultados del análisis de la chumacera

1.      Coeficientes de rigidez y amortiguación

  1. Temperatura promedia de la película
  2. Temperatura máxima de la película
  3. Número de Reynods
  4. Número de Sommerfeld
  5. Mínimo espesor de película
  6. Excentricidad de operación
  7. Ángulo de atitud o equilibrio
  8. Pérdidas de potencia
  9. Rata de flujo de aceite
  10. Viscosidad promedio/total
Saturday the 25th. Toluca, México. 2012