FRSN - Ciencia y Tecnología - GEVM
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Item Análisis del diseño de un rotor de laboratorio usando Ansys(2017-05-18) Palmieri, Fernando; Palmieri, MarcosLa enseñanza de la ingeniería en la argentina se encuentra ante nuevos desafíos producto del avance de la disciplina misma, de la transformación de los estudiantes y de las exigencias que imponen los procesos de acreditación de carreras. Uno de los principales desafíos es desarrollar investigación de calidad que impulse la creación de nuevos conocimientos y el avance de la tecnología a nivel nacional. Otro desafío importante es incrementar el número de experiencias prácticas de laboratorio que los estudiantes realizan en el transcurso de su carrera para mejorar el proceso de enseñanza y la comprensión de los temas. Para lograr estos propósitos se debe contar con equipamiento de laboratorio apropiado. En la Facultad Regional San Nicolás de la Universidad Tecnológica Nacional hace algunos años viene desarrollándose un grupo de investigación en el área de Vibraciones Mecánicas que específicamente se ha dedicado a estudiar fenómenos de dinámica de rotores. En este trabajo se describe el análisis por elementos finitos realizado sobre el diseño del rotor de pruebas desarrollado para dotar a este grupo de una herramienta para poder realizar experiencias de laboratorio vinculadas a su área de estudio y también para poder realizar experiencias con los estudiantes de las asignaturas mecánica Racional y Mantenimiento. El diseño de rotor de pruebas logrado está pensado para realizar experiencias relacionadas con problemas de balanceo, alineación, rigidez de pedestales y lubricación, en un mismo equipo, permitiendo analizar una amplia variedad de problemas de dinámica de rotores en forma experimental con fines científicos y didácticos.Item Determinación de frecuencias naturales y formas modales de un rotor de un ventilador industrial(2016-05-19) Palmieri, Fernando; Palmieri, Marcos; Pallanza, DanielLos ventiladores industriales como todas las máquinas rotantes, suelen experimentar problemas de vibraciones excesivas cuando su velocidad de giro se acerca a la frecuencia natural, estas velocidades se conocen como velocidades críticas y las mismas se relacionan con la distribución de masas del rotor, con su rigidez, con la rigidez de los cojinetes y pedestales. Durante una visita de estudios a una planta industrial de la zona, donde existen dos grupos de ventiladores con rotores de gran tamaño, se observó que algunos de ellos presentaban serios problemas de vibraciones durante su operación, dichos inconvenientes ocasionaron numerosas intervenciones por parte de los operarios de mantenimiento muchas veces sin un análisis ingenieril del problema que normalmente tenían que ver con modificar los pedestales, balanceos y alineaciones. A raíz de ello y con el propósito de que los estudiantes, que realizaron la visita, puedan conocer mejor estos equipos, se decidió relevar y modelar los rotores para luego analizarlos por elementos finitos para comparar sus velocidades críticas y como estas varían cuando se altera la configuración constructiva de los pedestales. De esta forma se pudo estudiar si los ventiladores funcionaban en un rango seguro de velocidades y conocer que variaciones produce alterar el pedestal.Item Análisis modal y balanceo de un turbogenerador de energía eléctrica(2013-11-14) Palmieri, Fernando; Violante, Luis Darío; Klempnow, Andreas EduardoEl estudio de la dinámica de los rotores y la determinación de las velocidades críticas es un tema de constante desarrollo en la mecánica. El mismo cobra fundamental importancia en las modernas turbo-máquinas, ya sea, a la hora de realizar un diseño adecuado, o al momento de realizar el análisis de la respuesta en funcionamiento, es decir, sus vibraciones y orbitas. Esto se debe principalmente a que, al reducir el peso de las máquinas e incrementar su potencia, estas generalmente, trabajan por encima de alguna de sus velocidades críticas. A la hora de equilibrar este tipo de rotores se puede tomar dos aproximaciones distintas: el balaceo por coeficientes de influencia y el balanceo modal. El primero requiere de un gran número de datos para lograr un buen resultado, el segundo en cambio, requiere el conocimiento previo de las formas modales y velocidades críticas. Estos datos se pueden obtener por medición o por modelos matemáticos. El método de la matriz de transferencia es uno de los métodos propuestos en la bibliografía para la determinación de las formas modales y las frecuencias críticas de un rotor. El mismo es de sencilla aplicación, se basa íntegramente en ecuaciones de la mecánica clásica y permite obtener resultados empleando relativamente poca capacidad de cálculo. Actualmente hay enfoques que emplean el método de los elementos finitos con el mismo objetivo, pero este implica una matemática y una programación más compleja y mayor capacidad de cálculo. En este trabajo se emplea el método de la matriz de trasferencia para determinar las formas modales y velocidades críticas del rotor de un turbogenerador de una central termoeléctrica del país. Este equipo presentaba serios problemas de vibraciones al aproximarse a la velocidad de régimen y había sido sometido a varios intentos de balanceo sin resultados adecuados. Los datos de formas modales se emplean para la estimación de pesos de prueba mediante el método de balanceo modal. Para realizar la intervención se ha desarrollado un software donde se implementaron rutinas de estimación de formas modales y de balanceo modal. El programa presenta una interface simple e intuitiva para que el analista de vibraciones o el diseñador mecánico lo puedan emplear fácilmente y ha sido validado en trabajos previos. A partir de las mediciones y los datos obtenidos del programa se pudo determinar que el equipo funciona demasiado cerca de la tercera velocidad crítica y esta es, posiblemente, la razón que vuelve infructuosos los procedimientos de balanceo convencionales. Se determinaron los pesos de corrección por el método de balanceo modal y se analiza la situación de compromiso lograda en el rotor real tras la última intervención.Item Análisis de rotores por el método de la matriz de transferencia usando el modelo de eje con distribución continúa de masa o el de viga ideal(2018-10-12) Palmieri, Fernando; Violante, Luis Darío; Klempnow, Andreas EduardoLa dinámica de rotores es el estudio del comportamiento de dichos elementos en funcionamiento. Incluye la determinación de velocidades críticas y formas modales, condiciones de inestabilidad, respuesta a la desalineación, etc. Esos fenómenos se pueden estudiar experimentalmente o numéricamente. Una herramienta de modelado numérico es el Método de la Matriz de Transferencia, que se basa íntegramente en ecuaciones de la mecánica clásica y permite obtener resultados adecuados, empleando poca capacidad de cálculo y sin la necesidad de tener un modelo sólido. Consiste en dividir el rotor en tramos de eje llamados campos. Los acuerdos entre tramos de ejes, los cambios de sección, soportes y rodetes, son llamados estaciones. Para cada campo o estación se plantea una matriz de transferencia que relaciona desplazamientos y esfuerzos a ambos lados del elemento. Finalmente, con estas matrices se arma una matriz que representa el rotor completo. Para la obtención de las matrices de campos existen, dos corrientes claramente diferenciadas, mientras algunos autores usan un modelo de distribución continua de masa y ecuaciones continuas de movimiento para obtener la matriz de transferencia, otros, en cambio, adoptan el modelo de viga ideal que responde a la formulación de Euler-Bernoulli, llegando generalmente a matrices de campo más simples. Aun cuando existen numerosos trabajos que emplean una de las dos variantes, existen pocos trabajos donde se comparen ambas formulaciones. Es por ello que en este trabajo se analiza la literatura específica y se modelan algunos rotores simples siguiendo ambos caminos, con el propósito de entender cuando es más conveniente usar una u otra. En general el modelo de viga continua es más complejo de programar que el de viga ideal, no obstante, esa complejidad se ve compensada a la hora de modelar algunos defectos.Item Análisis de variaciones de las velocidades críticas de un rotor producto de cambios de rigidez de los cojinetes(2016-10-07) Palmieri, Fernando; Violante, Luis Darío; Klempnow, Andreas EduardoLas turbomáquinas modernas logran elevadas potencias de generación con menores dimensiones físicas respecto de sus predecesoras, esto implica que deben funcionar en condiciones donde los rotores se comportan como rotores flexibles y superan dos o más de sus velocidades críticas. Es por ello que el conocimiento de dichas velocidades es fundamental para su diseño, operación y mantenimiento. Las velocidades críticas se relacionan con la distribución de masas del rotor, con su rigidez, con la rigidez de los cojinetes y pedestales. En este trabajo se analiza, como se comportan las velocidades críticas de un rotor real de una turbina de una central de generación, ante la variación de las propiedades de rigidez de sus cojinetes. Se utiliza el método de la matriz de transferencia para determinación numérica de formas modales y frecuencias críticas de un rotor. Dicho método es de sencilla aplicación, se basa íntegramente en ecuaciones de la mecánica clásica y permite obtener resultados adecuados, empleando poca capacidad de cálculo y sin la necesidad de tener un modelo sólido del equipo. Además, es un método probado en la bibliografía del tema. Las características del cojinete se estiman a partir de las dimensiones de los elementos que interactúan, de las propiedades físicas del lubricante y de los elementos mecánicos en contacto, empleando modelos y datos obtenidos de la literatura. Finalmente, los resultados se utilizan para estudiar cómo, ante pequeñas variaciones de alineación y de temperatura del lubricante, se producen variaciones de las velocidades críticas del equipo real una vez en funcionamiento. A partir de ello se pueden comprender mejor ciertas diferencias que existen en las respuestas dinámicas de un par de equipos idénticos.Item Diseño de un rotor experimental para realizar experiencias de desbalance y desalineación(2016-10-07) Palmieri, Fernando; Violante, Luis Darío; Klempnow, Andreas EduardoLa enseñanza de la ingeniería en la argentina se encuentra ante nuevos desafíos producto del avance de la disciplina misma, de la transformación de los estudiantes y de las exigencias que imponen los procesos de acreditación de carreras. Uno de los principales desafíos es desarrollar investigación de calidad que impulse la creación de nuevos conocimientos y el avance de la tecnología a nivel nacional. Otro desafío importante es incrementar el número de experiencias prácticas de laboratorio que los estudiantes realizan en el transcurso de su carrera para mejorar el proceso de enseñanza y la comprensión de los temas. Para lograr estos propósitos se debe contar con equipamiento de laboratorio apropiado. En la Facultad Regional San Nicolás de la Universidad Tecnológica Nacional hace algunos años viene desarrollándose un grupo de investigación en el área de Vibraciones Mecánicas que específicamente se ha dedicado a estudiar fenómenos de dinámica de rotores. En este trabajo se describe el diseño realizado de un rotor de pruebas pensado para dotar a este grupo de una herramienta para poder realizar experiencias de laboratorio vinculadas a su área de estudio y también para poder realizar experiencias con los estudiantes de las asignaturas mecánica Racional y Mantenimiento. Para tal fin se ha realizado una extensa búsqueda bibliográfica acerca de los equipos existentes desarrollados con fines experimentales, se analizaron su utilidad, complejidad y funcionalidad. Se consideraron las necesidades de investigación relacionadas con estudiar en el corto plazo problemas de alineación y balanceo de rotores, y más a largo plazo, problemas en cojinetes. Finalmente se logró diseñar un rotor de pruebas que permite realizar experiencias relacionadas con problemas de balanceo, alineación, rigidez de pedestales y lubricación, en un mismo equipo, permitiendo analizar una amplia variedad de problemas de dinámica de rotores en forma experimental con fines científicos y didácticos.Item Implementación de herramientas de análisis modal y balanceo de rotores flexibles(2014-09-05) Palmieri, Fernando; Violante, Luis Darío; Klempnow, Andreas EduardoPara el equilibrado de rotores flexibles, la bibliografía, sugiere dos aproximaciones: el balaceo por coeficientes de influencia y el balanceo modal. El primero requiere de un gran número de datos para lograr un buen resultado, el segundo, en cambio, requiere el conocimiento previo de las formas modales y velocidades críticas. Estas se pueden obtener empleando mediciones o modelos matemáticos. En este trabajo se utiliza el método de la matriz de transferencia para determinación numérica de formas modales y frecuencias críticas de un rotor. Dicho método es de sencilla aplicación, se basa íntegramente en ecuaciones de la mecánica clásica y permite obtener resultados adecuados, empleando poca capacidad de cálculo y datos simples que un analista puede obtener de los planos del equipo. Los resultados obtenidos son empleados para estimar pesos y posiciones de masas de corrección mediante el método de balanceo modal. Este método tiene un amplio desarrollo en la bibliografía y un uso extenso en prácticas de equilibrado en banco, pero muy pocas aplicaciones documentadas de equilibrado in situ. Ambos métodos de balanceo fueron implementados en un software desarrollado en la universidad, que presenta pantallas simples e intuitivas para que el analista de vibraciones o el diseñador mecánico lo puedan emplear fácilmente. Dicho programa se validó usando datos experimentales y modelos de elementos finitos. A partir de este software se analiza un rotor real, se identifican cuáles son las posiciones axiales con más posibilidades de reducir las vibraciones residuales, se determinan los pesos de corrección usando distintas formulaciones de los métodos implementados. El uso de la técnica de balanceo modal permite reducir el número de corridas de prueba frente a un balanceo convencional a dos planos, como los que normalmente pueden efectuarse utilizando equipos comerciales. El programa desarrollado se presenta como una herramienta útil para el equilibrado de rotores flexibles.Item Aplicación del método de la matriz de transferencia para la determinación de las formas modales y velocidades críticas en rotores flexibles(2012-10-05) Palmieri, Fernando; Violante, Luis Darío; Klempnow, Andreas EduardoEl estudio de la dinámica de los rotores y la determinación de las velocidades críticas es un tema de constante desarrollo en la mecánica. El mismo cobra fundamental importancia en las modernas turbomáquinas, ya sea, a la hora de realizar un adecuado diseño, o al momento de realizar el análisis de su respuesta en funcionamiento, es decir, sus vibraciones y orbitas [1]. Esto se debe principalmente a que, al reducir el peso de las máquinas e incrementar su potencia, estas generalmente, trabajan por encima de alguna de sus velocidades críticas. El método de la matriz de transferencia es uno de los métodos propuestos en la bibliografía [2,3] para la determinación de las formas modales y las frecuencias críticas de un rotor. El mismo es de sencilla aplicación, se basa íntegramente en ecuaciones de la mecánica clásica y permite obtener resultados empleando relativamente poca capacidad de cálculo. Actualmente hay enfoques que emplean el método de los elementos finitos con el mismo objetivo, pero este implica una matemática y una programación más compleja y mayor capacidad de cálculo. Es por ello que en este trabajo se emplea el método de la matriz de trasferencia para generar un algoritmo que permite determinar las formas modales y velocidades críticas de un rotor partiendo de algunos datos geométricos simples. El programa presenta una interface amigable e intuitiva para que el analista de vibraciones o el diseñador mecánico lo puedan emplear fácilmente. Los datos que entrega el programa son útiles para estimar pesos y posiciones de masas de balanceo mediante el método de balanceo modal, para estimar las vibraciones del sistema, o para corregir condiciones desfavorables de operación. Los resultados obtenidos por este método se comparan con modelos de elementos finitos y resultados experimentales. Además, se emplea el método para analizar un rotor real de una turbina de gas de una central de generación de energía.Item Aplicación del método de balanceo por mínimos cuadrados a una turbina a vapor de una central eléctrica(2010-11-19) Palmieri, Fernando; Violante, Luis Darío; Klempnow, Andreas EduardoEl balanceo de grandes rotores flexibles conlleva importantes dificultades desde el punto de vista técnico, ya que, por lo general, estos presentan velocidades de funcionamiento que superan las primeras velocidades críticas. Por tal motivo debe lograrse un balanceo de alta calidad para aumentar la confiabilidad del equipo. El método tradicional de Coeficientes de Influencia a dos planos es el camino comúnmente utilizado a la hora de balancear un rotor industrial, pero este método considera simplificaciones que pueden conducir a un resultado final poco adecuado. Entonces, para el caso aquí presentado de una turbina a vapor, se recurrió al método de balanceo con la aproximación de mínimos cuadrados. Esta técnica emplea múltiples velocidades y planos de medición para la determinación de los pesos de corrección, realizando una reducción teórica simultánea de todas las vibraciones residuales. Pero a diferencia del método tradicional requiere la medición de mayor cantidad de datos. Para la turbina estudiada se emplearon los datos obtenidos por medio de sensores de proximidad X-Y, montados permanentemente en el equipo, para diferentes condiciones de carga correspondientes a los arranques, las paradas y la condición de régimen. Emplear todos estos datos permite llegar a una solución de compromiso que satisface mejor las diversas condiciones de operación de la máquina, lográndose así un balanceo de mayor calidad, como describen diversos autores que desarrollaron algoritmos para tal fin. En función de los resultados obtenidos en forma teórica y salvando los errores que se introducen en el procesamiento de datos, podemos inferir que el método empleado resulta ser una herramienta muy útil para el mantenimiento de este tipo de equipos.