Ripensare la rigidità torsionale per l'era della velocità variabile

Steve Pennington, responsabile globale dei giunti di accoppiamento presso John Crane. (Foto: John Crane)

Per decenni, l'analisi torsionale della trasmissione si è basata su un presupposto fondamentale: la rigidezza torsionale di un giunto è un valore fisso.

Questa ipotesi ha funzionato abbastanza bene per l'industria delle apparecchiature rotanti, ma con la crescente sofisticazione dei gruppi di compressione, in particolare con l'adozione diffusa di azionamenti a frequenza variabile (VFD), motori elettrici e un ampliamento dei campi di funzionamento, è diventata anche uno dei maggiori limiti del settore.

Secondo Steve Pennington, Global Engineering Coupling Manager di John Crane, il divario tra le prestazioni simulate e il comportamento operativo effettivo è diventato sempre più evidente.

"Abbiamo notato un aumento di domande relative alla rigidezza torsionale basata su azionamenti a frequenza variabile e all'accuratezza dei calcoli", ha affermato Pennington. "Tradizionalmente, noi e l'intera comunità del settore degli accoppiamenti fornivamo un unico valore di rigidezza torsionale, ma in alcune applicazioni tale valore non corrispondeva con la precisione che avremmo desiderato sul campo."

Questa consapevolezza ha dato il via a un progetto di ricerca triennale che ha portato a quella che John Crane definisce una metodologia validata, la prima nel suo genere nel settore, per l'analisi della trasmissione. Anziché considerare la rigidità dell'accoppiamento come costante, il nuovo approccio modella la rigidità come una caratteristica dinamica che varia in funzione della coppia e delle condizioni operative. La metodologia è stata validata attraverso la modellazione analitica, test di laboratorio e numerose installazioni sul campo, migliorando significativamente la correlazione tra il comportamento previsto e quello misurato della trasmissione.

Secondo John Crane, i modelli di trasmissione migliorati possono ridurre il rischio di messa in servizio, migliorare l'affidabilità e contribuire a identificare potenziali problemi di risonanza prima che le apparecchiature entrino in funzione.

Perché i modelli tradizionali sono inadeguati

L'analisi torsionale è una parte fondamentale della progettazione di sistemi di apparecchiature rotanti. Gli ingegneri valutano il comportamento congiunto di motori, turbine, riduttori, giunti e apparecchiature azionate per garantire che le frequenze naturali del sistema non coincidano con le velocità di esercizio.

Storicamente, i produttori di giunti hanno fornito un unico valore di rigidità torsionale da utilizzare in queste analisi.

Il problema, spiegò Pennington, è che gli accoppiamenti in realtà non si comportano in quel modo.

"Ci siamo imbattuti in una risposta non lineare", ha affermato. "Questo ci ha portato a credere che dovremmo fornire più valori di rigidezza torsionale anziché uno solo."

Ulteriori test hanno portato alla luce una scoperta ancora più significativa.

"Quando abbiamo osservato variazioni minime della coppia, il giunto ha iniziato a sfruttare il suo comportamento di isteresi per smorzare le vibrazioni del sistema", ha spiegato. "Questo ci ha permesso di prevedere con precisione la rigidità torsionale per un determinato valore di coppia, consentendo ai clienti di operare a frequenze molto più vicine a quelle naturali, sfruttando al contempo la capacità di smorzamento del giunto stesso."

In termini pratici, ha spiegato Pennington, la rigidità del giunto varia lungo tutto il suo intervallo di funzionamento. Invece di comportarsi come una molla rigida con una caratteristica costante, reagisce in modo diverso durante l'avviamento, il funzionamento a regime e in presenza di carichi variabili.

John Crane definisce ora queste regioni separatamente, distinguendo tra una regione iniziale di "rigidità dinamica" e i valori tradizionali di "rigidità statica" utilizzati durante il normale funzionamento.

I sistemi a velocità variabile alzano la posta in gioco

Pennington ha affermato che il crescente utilizzo di azionamenti a frequenza variabile nell'industria del gas naturale ha aumentato la necessità di analisi più accurate della catena cinematica, poiché i gruppi di compressione ora operano in una gamma molto più ampia di velocità e condizioni di coppia.

John Crane ha affermato che la sua nuova metodologia di accoppiamento dinamico migliora la modellazione della trasmissione tenendo conto della rigidità dipendente dalla coppia, aiutando i produttori di apparecchiature originali (OEM) a ridurre il rischio di messa in servizio e a migliorare l'affidabilità. (Immagine: John Crane)

A differenza dei gruppi di compressione a velocità fissa, i sistemi a velocità variabile operano in un ampio intervallo di velocità e condizioni di coppia. Tale flessibilità migliora l'efficienza e il controllo del processo, ma aumenta anche la probabilità che le apparecchiature raggiungano frequenze torsionali prossime alle frequenze naturali durante l'avvio, l'arresto o le variazioni di carico.

"Le applicazioni più complesse, come quelle con accoppiamenti a bassa e alta velocità e le trasmissioni multiple, sono quelle in cui possiamo davvero trarre vantaggio", ha affermato Pennington. "Ora possiamo individuare con precisione la rigidità torsionale per una determinata coppia nell'intero intervallo operativo."

Invece di costringere gli ingegneri a lavorare con un valore medio di rigidità, Pennington ha affermato che la metodologia fornisce molteplici punti operativi, consentendo modelli di sistema molto più rappresentativi.

"Possiamo rendere l'analisi torsionale estremamente precisa", ha affermato. "L'unico limite, al momento, è rappresentato dalla quantità di informazioni che i software di analisi attuali sono effettivamente in grado di utilizzare."

Dal laboratorio al campo

John Crane non introdusse la metodologia finché non fu convalidata su apparecchiature effettivamente operative.

Lo sviluppo è iniziato con test statici convenzionali, prima che gli ingegneri progettassero un banco prova dinamico unico, in grado di misurare la rigidità torsionale mentre il giunto era in rotazione.

"Abbiamo ideato una soluzione davvero unica per misurare la rigidità torsionale in modo dinamico", ha affermato Pennington. "Utilizzando misurazioni ottiche sul nostro banco prova dinamico, siamo stati in grado di misurare la rigidità torsionale in modo dinamico, il che è piuttosto singolare."

L'azienda ha quindi confrontato tali risultati con i modelli analitici prima di convalidare l'approccio nei macchinari in funzione.

"Abbiamo effettuato test statici e dinamici, ottenuto una correlazione con l'analisi agli elementi finiti e, cosa ancora più importante, una correlazione estremamente precisa con quanto effettivamente riscontrato in loco", ha affermato Pennington. "Abbiamo utilizzato estensimetri in loco per misurare le forze torsionali e i risultati sono entro un paio di punti percentuali rispetto alle nostre previsioni. Per un'analisi della trasmissione, si tratta di un risultato eccezionalmente preciso."

Ad oggi, la metodologia è stata implementata con successo su quattro applicazioni per clienti.

In un caso, un sistema di trasmissione ha ripetutamente raggiunto una velocità critica torsionale durante il funzionamento.

"In precedenza, ci avvicinavamo alla prima frequenza critica naturale e dovevamo fermare i macchinari", ha affermato Pennington. "Abbiamo modificato i parametri utilizzando la nuova metodologia e ora l'apparecchiatura funziona esattamente alla stessa velocità senza raggiungere la frequenza critica."

Ridurre le sorprese in fase di messa in servizio

Per i produttori di compressori e gli appaltatori EPC, la fase di messa in servizio è spesso il momento in cui le carenze nella modellazione della trasmissione diventano dolorosamente evidenti.

Problemi di risonanza imprevisti scoperti durante la fase di avviamento possono ritardare i progetti, richiedere la riprogettazione degli accoppiamenti o imporre restrizioni operative fino all'implementazione di soluzioni definitive.

John Crane ha affermato di non aver introdotto la metodologia fino a quando non fosse stata convalidata su apparecchiature effettivamente operative. Lo sviluppo è iniziato con test statici convenzionali prima che gli ingegneri progettassero un banco prova dinamico unico, in grado di misurare la rigidità torsionale mentre il giunto era in rotazione. (Immagine: Banco prova statico)

Pennington ritiene che migliorare l'accuratezza delle previsioni possa ridurre significativamente tali rischi.

"Quando si arriva alla fase di collaudo, forniamo qualcosa che sappiamo funzionerà", ha affermato. "In passato ci siamo trovati in situazioni in cui abbiamo dovuto tornare indietro e produrre giunti diversi per modificare le caratteristiche torsionali. Ora abbiamo già testato il progetto prima del collaudo."

Pennington ha affermato che la fiducia è particolarmente preziosa nei grandi progetti di GNL, compressione tramite gasdotti e generazione di energia, dove i ritardi possono avere conseguenze finanziarie sostanziali.

Ha inoltre affermato che la metodologia migliora la collaborazione tra i produttori di apparecchiature originali (OEM) fornendo informazioni più rappresentative sulla catena cinematica durante la fase di progettazione, contribuendo a ridurre i problemi di integrazione prima che le apparecchiature raggiungano il mercato.

E per quanto riguarda le attrezzature esistenti?

Una delle prime domande che John Crane ricevette dopo aver presentato la metodologia riguardava le apparecchiature obsolete.

Se gli ingegneri hanno utilizzato per anni un modello di rigidità semplificato, significa forse che i gruppi compressori esistenti sono a rischio?

Secondo Pennington, la risposta è no.

"La flotta attuale va bene", ha affermato. "Non cambieremo nulla di ciò che già esiste. Miglioreremo la comprensione e forniremo una maggiore precisione."

Al contrario, ha affermato, le informazioni aggiuntive diventano particolarmente preziose quando gli operatori aggiornano le apparecchiature, installano inverter o modificano le condizioni operative.

"Se si desidera migliorare l'efficienza, modificare la trasmissione o operare in un intervallo diverso, ora disponiamo di maggiori informazioni sulla rigidità torsionale e possiamo lavorare con molta più precisione", ha affermato.

Pennington ha affermato che i progetti di ammodernamento possono trarre particolare vantaggio da questa metodologia, poiché le informazioni storiche sulla trasmissione sono spesso incomplete.

Più dati e più opportunità.

La metodologia è attualmente in fase di implementazione presso altri produttori OEM, a seguito del successo ottenuto con un primo cliente.

Non sorprende che la maggiore precisione crei anche una nuova sfida: il sovraccarico di informazioni.

"In realtà abbiamo quattro punti diversi sulla curva di coppia", ha affermato Pennington. "La sfida ora è che stiamo quasi sovraccaricando i produttori di apparecchiature originali (OEM) di informazioni, perché il software attuale non è sempre in grado di utilizzarle tutte."

Ciononostante, Pennington prevede che gli strumenti di analisi si evolveranno di pari passo con la metodologia.

Guardando al futuro, ha affermato che l'intelligenza artificiale potrebbe in futuro aiutare gli ingegneri a interpretare dati sempre più complessi relativi ai sistemi di trasmissione, sebbene l'attenzione immediata rimanga focalizzata sul perfezionamento dei modelli sottostanti.

"Abbiamo in programma un altro anno di test", ha affermato. "Ci sono altri tre parametri che vogliamo esaminare. L'obiettivo è aumentare ulteriormente la precisione."

Un cambiamento nell'ingegneria della trasmissione

Guardando al futuro, Pennington ritiene che un'analisi sempre più sofisticata della catena cinematica diventerà sempre più importante, man mano che i pacchetti di compressori integreranno motori a velocità variabile, azionamenti elettrici e strategie di controllo più avanzate. Ha affermato che una migliore correlazione tra il comportamento operativo modellato e quello effettivo può aiutare i produttori di apparecchiature originali (OEM) e gli operatori a ridurre i problemi di messa in servizio, migliorando al contempo l'affidabilità a lungo termine.

Pennington ha inoltre affermato che il lavoro mette in discussione uno dei presupposti di lunga data dell'industria delle apparecchiature rotanti, ovvero che la rigidità torsionale dei giunti possa essere rappresentata da un singolo valore costante. Secondo lui, l'integrazione di più punti di funzionamento nei modelli della trasmissione fornisce un quadro più rappresentativo del comportamento dei giunti in condizioni operative reali.

John Crane ha affermato che la metodologia è pensata per fornire agli ingegneri informazioni più accurate sulla trasmissione durante la fase di progettazione, in particolare per le nuove installazioni, gli aggiornamenti delle apparecchiature e le applicazioni a velocità variabile. L'azienda ha dichiarato che l'obiettivo è ridurre le sorprese in fase di messa in servizio, migliorare le prestazioni del sistema e dare ai produttori di apparecchiature originali (OEM) e agli utenti finali maggiore fiducia nel fatto che il comportamento della trasmissione modellato corrisponda fedelmente alle effettive condizioni operative.