Repensando la rigidez torsional para la era de la velocidad variable.

Steve Pennington, Gerente Global de Acoplamientos de Ingeniería en John Crane. (Foto: John Crane)

Durante décadas, el análisis torsional de la transmisión se ha basado en una suposición fundamental: la rigidez torsional de un acoplamiento es un valor fijo.

Esa suposición ha resultado razonablemente útil para la industria de equipos rotativos, pero a medida que los trenes de compresores se vuelven cada vez más sofisticados, en particular con la adopción generalizada de variadores de frecuencia (VFD), motores eléctricos y rangos operativos más amplios, también se ha convertido en una de las mayores limitaciones de la industria.

Según Steve Pennington, gerente global de ingeniería de acoplamientos en John Crane, la brecha entre el rendimiento modelado y el comportamiento operativo real se ha hecho cada vez más evidente.

“Observábamos un aumento en las preguntas sobre la rigidez torsional en relación con los variadores de frecuencia y la precisión de los cálculos”, explicó Pennington. “Tradicionalmente, tanto nosotros como la comunidad de acoplamientos ofrecíamos un único valor de rigidez torsional, pero en algunas aplicaciones, dicho valor no se correspondía con la precisión deseada en la práctica”.

Esta constatación impulsó una investigación de tres años que culminó en lo que John Crane describe como una metodología validada, pionera en la industria, para el análisis de la transmisión. En lugar de considerar la rigidez del acoplamiento como constante, el nuevo enfoque la modela como una característica dinámica que varía con el par motor y las condiciones de funcionamiento. La metodología se ha validado mediante modelado analítico, pruebas de laboratorio y múltiples instalaciones de campo, mejorando significativamente la correlación entre el comportamiento previsto y el medido de la transmisión.

Según John Crane, los modelos mejorados de transmisión pueden reducir el riesgo de puesta en marcha, mejorar la fiabilidad y ayudar a identificar posibles problemas de resonancia antes de que el equipo entre en servicio.

Por qué los modelos tradicionales se quedan cortos

El análisis torsional es fundamental en el diseño de trenes de equipos rotativos. Los ingenieros evalúan cómo se comportan conjuntamente los motores, las turbinas, las cajas de engranajes, los acoplamientos y los equipos accionados para garantizar que las frecuencias naturales del sistema no coincidan con las velocidades de funcionamiento.

Históricamente, los fabricantes de acoplamientos han proporcionado un único valor de rigidez torsional para su uso en estos análisis.

El problema, explicó Pennington, es que los acoplamientos en realidad no se comportan de esa manera.

“Nos topamos con una respuesta no lineal”, dijo. “Eso nos llevó a creer que deberíamos proporcionar múltiples valores de rigidez torsional en lugar de solo uno”.

Pruebas posteriores revelaron un hallazgo aún más significativo.

«Cuando observábamos cambios muy pequeños en el par motor, el acoplamiento comenzaba a utilizar su comportamiento de histéresis para amortiguar el sistema», explicó. «Esto significaba que podíamos predecir con precisión la rigidez torsional para un valor de par determinado, lo que permitía a los clientes operar mucho más cerca de las frecuencias naturales aprovechando la capacidad de amortiguación del propio acoplamiento».

En términos prácticos, explicó Pennington, la rigidez del acoplamiento varía a lo largo de su rango de funcionamiento. En lugar de comportarse como un resorte rígido con una característica constante, responde de manera diferente durante el arranque, el funcionamiento en estado estacionario y las variaciones de carga.

John Crane ahora define estas regiones por separado, distinguiendo entre una región inicial de "rigidez dinámica" y los valores tradicionales de "rigidez estática" utilizados durante el funcionamiento normal.

Los sistemas de velocidad variable aumentan las apuestas.

Pennington afirmó que el creciente uso de variadores de frecuencia en toda la industria del gas natural ha aumentado la necesidad de un análisis más preciso de los sistemas de transmisión, ya que los trenes de compresores ahora operan en un rango mucho más amplio de velocidades y condiciones de par.

John Crane afirmó que su nueva metodología de acoplamiento dinámico mejora el modelado de la transmisión al tener en cuenta la rigidez dependiente del par, lo que ayuda a los fabricantes de equipos originales a reducir el riesgo de puesta en marcha y a mejorar la fiabilidad. (Imagen: John Crane)

A diferencia de los sistemas de compresores de velocidad fija, los sistemas de velocidad variable operan en un amplio rango de velocidades y condiciones de par. Esta flexibilidad mejora la eficiencia y el control del proceso, pero también aumenta la probabilidad de que el equipo alcance frecuencias cercanas a las frecuencias naturales de torsión durante el arranque, la parada o los cambios de carga.

“En los sistemas de transmisión más complejos —aplicaciones de acoplamiento de baja y alta velocidad y sistemas de transmisión múltiples— es donde realmente podemos obtener beneficios”, dijo Pennington. “Ahora podemos determinar con precisión la rigidez torsional para un par específico en todo el rango de funcionamiento”.

En lugar de obligar a los ingenieros a trabajar con un valor de rigidez promedio, Pennington afirmó que la metodología proporciona múltiples puntos de operación, lo que permite crear modelos de sistema mucho más representativos.

“Podemos lograr un análisis torsional sumamente preciso”, afirmó. “La única limitación actual es la cantidad de información que el software de análisis actual puede utilizar en la práctica”.

Del laboratorio al campo.

John Crane no introdujo la metodología hasta que esta fue validada en equipos operativos reales.

El desarrollo comenzó con pruebas estáticas convencionales antes de que los ingenieros diseñaran un banco de pruebas dinámico único capaz de medir la rigidez torsional mientras el acoplamiento giraba.

“Hemos ideado una solución muy singular para medir la rigidez torsional de forma dinámica”, dijo Pennington. “Utilizando mediciones ópticas en nuestro banco de pruebas dinámico, pudimos medir la rigidez torsional de forma dinámica, lo cual es bastante singular”.

Posteriormente, la empresa comparó esos resultados con modelos analíticos antes de validar el método en la maquinaria operativa.

“Realizamos pruebas estáticas y dinámicas, obtuvimos una correlación con el análisis de elementos finitos y, lo que es más importante, una correlación extremadamente precisa con lo que ocurrió en obra”, dijo Pennington. “Hemos instalado extensómetros en obra para medir las fuerzas de torsión, y estamos dentro de un margen de un par de puntos porcentuales de lo que habíamos previsto. Para el análisis del sistema de transmisión, esto es excepcionalmente preciso”.

Hasta la fecha, la metodología se ha implementado con éxito en cuatro aplicaciones de clientes.

En un caso, un sistema de transmisión alcanzó repetidamente una velocidad crítica de torsión durante su funcionamiento.

“Anteriormente, estábamos entrando en una primera frecuencia crítica natural y teníamos que detener la maquinaria”, dijo Pennington. “Modificamos los parámetros utilizando la nueva metodología y ahora el equipo funciona exactamente a la misma velocidad sin alcanzar la frecuencia crítica”.

Reduciendo las sorpresas en la puesta en marcha

Para los fabricantes de compresores y los contratistas EPC, la puesta en marcha suele ser el momento en que las deficiencias en el modelado del sistema de transmisión se hacen dolorosamente evidentes.

Los problemas de resonancia inesperados que se descubren durante la puesta en marcha pueden retrasar los proyectos, requerir el rediseño de los acoplamientos o imponer restricciones operativas hasta que se implementen soluciones permanentes.

John Crane afirmó que no implementó la metodología hasta que fue validada en equipos operativos reales. El desarrollo comenzó con pruebas estáticas convencionales antes de que los ingenieros diseñaran un banco de pruebas dinámico único capaz de medir la rigidez torsional mientras el acoplamiento giraba. (Imagen: Banco de pruebas estático)

Pennington cree que mejorar la precisión de las predicciones puede reducir significativamente esos riesgos.

“Para cuando llega la fase de puesta en marcha, suministramos un producto que sabemos que va a funcionar”, afirmó. “En el pasado, nos hemos encontrado con situaciones en las que hemos tenido que volver a fabricar acoplamientos diferentes para modificar las características de torsión. Ahora, ya hemos comprobado la eficacia del diseño antes de la puesta en marcha”.

Pennington afirmó que la confianza es especialmente valiosa en los grandes proyectos de GNL, compresión de gasoductos y generación de energía, donde los retrasos pueden tener consecuencias financieras sustanciales.

También afirmó que la metodología mejora la colaboración entre los fabricantes de equipos originales (OEM) al proporcionar información más representativa sobre el sistema de transmisión durante la fase de diseño, lo que ayuda a reducir los problemas de integración antes de que el equipo llegue al mercado.

¿Qué ocurre con los equipos existentes?

Una de las primeras preguntas que recibió John Crane tras presentar la metodología se refería a los equipos antiguos.

Si los ingenieros han estado utilizando un modelo de rigidez simplificado durante años, ¿significa eso que los sistemas de compresores existentes están en riesgo?

Según Pennington, la respuesta es no.

“La flota actual está bien”, dijo. “No vamos a cambiar nada de lo que ya está ahí. Estamos mejorando la comprensión y proporcionando mayor precisión”.

En cambio, explicó, la información adicional resulta más valiosa cuando los operadores actualizan los equipos, modernizan los variadores de frecuencia o modifican las condiciones de funcionamiento.

“Si se quiere mejorar la eficiencia, cambiar el sistema de transmisión u operar en un rango diferente, ahora tenemos más información sobre la rigidez torsional y podemos trabajar con mucha más precisión”, afirmó.

Pennington afirmó que los proyectos de modernización pueden beneficiarse especialmente de esta metodología, ya que la información histórica sobre el sistema de transmisión suele ser incompleta.

Más datos y más oportunidades.

Actualmente, tras su exitosa implementación con un cliente inicial, se está extendiendo la metodología a otros fabricantes de equipos originales (OEM).

Como era de esperar, el aumento de la precisión también crea un nuevo desafío: la sobrecarga de información.

“En realidad, tenemos cuatro puntos diferentes en la curva de par”, dijo Pennington. “El problema ahora es que estamos casi sobrecargando a los fabricantes de equipos originales con información, porque el software actual no siempre puede utilizarla toda”.

Aun así, Pennington prevé que las herramientas de análisis evolucionen a la par que la metodología.

De cara al futuro, afirmó que la inteligencia artificial podría ayudar a los ingenieros a interpretar datos cada vez más complejos sobre los sistemas de transmisión, aunque la atención inmediata sigue centrada en perfeccionar aún más los modelos subyacentes.

“Tenemos previsto realizar pruebas durante otro año”, dijo. “Hay otros tres parámetros que queremos revisar. Se trata de aumentar aún más la precisión”.

Un cambio en la ingeniería de sistemas de transmisión

De cara al futuro, Pennington cree que el análisis cada vez más sofisticado de los sistemas de transmisión cobrará mayor importancia a medida que los compresores incorporen motores de velocidad variable, accionamientos eléctricos y estrategias de control más avanzadas. Afirmó que una mejor correlación entre el comportamiento operativo modelado y el real puede ayudar a los fabricantes de equipos originales y a los operadores a reducir los problemas de puesta en marcha y, al mismo tiempo, mejorar la fiabilidad a largo plazo.

Pennington también afirmó que este trabajo cuestiona una de las suposiciones más arraigadas en la industria de equipos rotativos: que la rigidez torsional del acoplamiento puede representarse mediante un único valor constante. Según él, incorporar múltiples puntos de operación en los modelos de transmisión proporciona una imagen más representativa del comportamiento de los acoplamientos en condiciones reales de funcionamiento.

John Crane afirmó que la metodología busca brindar a los ingenieros información más precisa sobre el sistema de transmisión durante el proceso de diseño, especialmente para nuevas instalaciones, actualizaciones de equipos y aplicaciones de velocidad variable. La compañía indicó que el objetivo es reducir las sorpresas durante la puesta en marcha, mejorar el rendimiento del sistema y ofrecer a los fabricantes de equipos originales y a los usuarios finales mayor confianza en que el comportamiento modelado del sistema de transmisión se ajustará fielmente a las condiciones de funcionamiento reales.