Misión Naval Venezolana en España

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VIBRACIONES EN LAS LÍNEAS DE EJE DEL BUQUE DE VIGILANCIA LITORAL (BVL)

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Por: CF. Manuel Briceño Debona

El correcto funcionamiento de una línea de eje es fundamental para la operación de un buque moderno, son conocidas las consecuencias negativas y los costes asociados de un mal diseño de este sistema. Los Ingenieros de NAVANTIA y WARTSILA han puesto especial atención en prevenir los problemas de vibraciones y para ello se han valido de su experiencia en el área y de las tecnologías mas modernas de manera de garantizar que el Buque de Vigilancia Litoral podrá cumplir, con seguridad, las misiones esperadas.

 


 

Oficial Superior egresado de la Escuela Naval de Venezuela en el año 1990, integrante de la promoción "CN Renato Beluche", diplomado como Licenciado en Ciencias Navales. Cursó estudios de ingeniería mecánica en la Universidad Nacional Experimental de la Fuerza Armada (UNEFA) de donde egresó con el titulo correspondiente en al año 1996. Como oficial maquinista ha desempeñado todos los cargos de su especialidad a bordo de unidades de la escuadra, entre ellos Jefe de la División de Ingeniería del Transporte ARBV "Los Llanos" (T-64) y Jefe de la División de Ingeniería de la fragata ARBV "Gral. Salón" (F-25).

 

 

         El diseño de una línea de eje requiere de un análisis y dimensionamiento preciso de todos los factores que intervienen durante su operación. El desarrollo de la Ingeniería Naval ha permitido la construcción de barcos con mayores prestaciones, más veloces, ligeros y de mayor potencia, haciendo más frecuentes las fracturas en líneas de ejes y por tanto, generando gran cantidad de estudios sobre el tema.

      El Buque de Vigilancia litoral no escapa de ello. Es un buque con gran cantidad de prestaciones, entre las que destacan la posibilidad de navegar a cualquiera de sus velocidades de diseño en régimen continuo, bajo ruido y versatilidad en los cambios de velocidad y dirección. Para ello su sistema cuenta, a grandes rasgos, con dos líneas de ejes de tres secciones, un Cojinete de Soporte tipo chumacera autoalineante, tres Apoyos de Bocina enfriados por agua, Acoplamientos Hidráulicos tipo Manguito, un sistema de Control del Paso y Hélices de cinco palas con unas velocidades máximas de giro de 260 RPM.

      Para llegar a la configuración de una línea de eje se distribuyen todos los componentes según los lineamientos de la Sociedad de Clasificación, basándose en tablas en las que se establecen las distancias de los puntos de apoyo, diámetros y otras particularidades del sistema. Una vez que se han distribuido los componentes se efectúa un análisis de Viga, donde se verifican los esfuerzos a lo largo de la línea de eje y se constata que la distribución realizada permita una distribución apropiada de los esfuerzos cortantes y momentos flectores.

     Mucha de la configuración del sistema es producto de la experiencia del diseñador y de las particularidades del buque. La inclinación, por ejemplo, es el resultado de la posición de los propulsores con respecto a la ubicación de la hélice, la cual se acostumbra separar, por lo menos, el 20% de su diámetro de cualquier estructura del buque.

      Está configuración es evaluada en un canal de experiencia, allí se verifica el comportamiento de la estela, sé realizan las recomendaciones pertinentes y se determina la hélice mas apropiada para el sistema.

      Recordemos también que la función principal de una línea de ejes es transformar la potencia de rotación del eje en un movimiento de traslación del flujo que permita el desplazamiento del barco. En ese sentido, no podemos obviar la influencia de las vibraciones en este sistema dinámico, ya que las vibraciones han generado el mayor porcentaje de falla en estos sistemas. Bajo este esquema, en el eje se pueden producir tres tipos de vibraciones:

  • Vibraciones Axiales: Que se producen en el eje longitudinal (Proa a popa).
  • Vibraciones Torsionales: Las cuales se producen en el sentido de giro
  • Vibraciones Transversales: aparecen en el plano perpendicular al eje longitudinal.

      Existen diversos métodos para la determinación de las frecuencias críticas (Woytowich, Panagopoulus, Raleigh, CFNR, MEF, Jasper). Estos analizan los diferentes factores que influyen en el comportamiento de la misma como son las Dimensiones de los componentes, pesos, distribución de cada uno, Distribución de los soportes, características de cada componente, distancias entre ellos, características de los materiales, densidad del eje, potencia de trabajo, rpm. del motor, rpm. de las hélices entre otras.

      También existen otros factores que influyen en el estudio, como es el movimiento Giroscópico de los diferentes componentes y el punto de aplicación del empuje de las hélices, el cual no está ubicado en el centro del equipo sino que se traslada debido a la diferencia de presión del agua entre el punto mas alto de la hélice y el punto más bajo, generando diferentes empujes durante los 360 º de recorrido de una pala (Influencia de la estela).

      Las hélices se convierten en la principal fuente de excitación del sistema, su influencia es menor en la medida que el punto a evaluar se aleja de la hélice y mas soportes existan entre estos.

      La línea de eje está conformada por gran cantidad de componentes, que están unidos con diferentes tipos de acoplamientos, divididas en segmentos no uniformes en sus diámetros externos e internos y con fluidos circulando por el sistema de Control de Paso. Es por ello que la determinación del número y la colocación de estos componentes es fundamental en el desarrollo de la línea de eje.

        En el caso del Buque de Vigilancia Litoral se identificaron 49 componentes en rotación, con sus masas distribuidas en las partes centrales de la ubicación de diseño a excepción del apoyo mas a popa (Arbotante de popa) el cual está ubicado a 1/3 de la arbotante debido al peso de la hélice y la fuerza giroscópica que genera.

Para el cálculo sería necesario elaborar gran cantidad de matrices y efectuar cálculos e iteraciones que hacen que sea fundamental el uso de ordenadores para analizar el comportamiento esperado de las líneas de eje.

 

Una línea de eje posee infinitas frecuencias críticas, sin embargo es común y admisible que algunas de ellas se encuentren en el rango de trabajo siempre y cuando sus magnitudes no sean significativas.

 

En general la Vibraciones Axiales , no representan grandes riesgos, debido a que el diseño de este tipo de sistema, es bastante rígido y no son frecuentes a menos que ocurra alguna falla importante en alguna de sus partes. En el caso del BVL  la primera frecuencia crítica axial está ubicada a 355 rpm. del eje, es decir por encima de su rango de operación.

 

Las Vibraciones torsionales son sujetas a estudios detallados en el sistema, pues es normal que algunas frecuencias críticas aparezcan en el rango de operación, sin embargo, el amortiguamiento que generan los acoplamientos normalmente utilizados, garantizan que las magnitudes sean muy bajas.

 

El énfasis del análisis vibracional en líneas de eje es puesto en las magnitudes de las vibraciones transversales y de las posibles manifestaciones de estas llamadas vibraciones “WHIRL”.

          Las vibraciones de WHIRL es considerada la resultante de dos vibraciones en planos perpendiculares, se manifiestan en forma de giros del eje alrededor de la línea base (como las cuerdas de saltar) y representan un riesgo importante de resonancia en el eje porque pudiese adquirir valores muy altos que generarían serias averías en el sistema.

             Existen dos tipos: las FOWARD WHIRL que se suceden cuando el giro se sucede en el mismo sentido de la rotación del eje y las COUNTER WHIRL que ocurre cuando el giro se realiza en sentido contrario a la rotación del eje.

               Los resultados del análisis en cada sector de la línea de eje, a diferentes velocidades de rotación arrojan diferentes valores que se pueden representar en la grafica “A”, donde  los valores críticos están ubicados en los puntos de corte de la frecuencia de excitación y la frecuencia FOWARD WHIRL y COUNTER WHIRL. Esta gráfica es representativa de un punto específico del eje.

 

            La agrupación de las resultantes de los puntos estudiados por tipo de WHIRL, a las diferentes velocidades del eje se puede graficar y obtener una representación como la presentada en la figura “B”, donde se puede observar los puntos críticos y las áreas específicas donde se presentan.

 

 

 

En el caso de BVL   las velocidades críticas se presentan para el caso de FOWARD WHIRL a las 117 rpm del eje y 586 cpm. entre el cojinete de soporte y el reductor y la otra a 190 rpm del eje y 952 cpm. entre el cojinete de soporte y el primer Apoyo de Bocina.

 

            En el caso del REVERSE WHIRL se ubican  a las 113 rpm. del eje y 565 cpm. entre el cojinete de soporte y el reductor y la otra a 188 rpm. del eje y 944 cpm. entre el cojinete de soporte y el primer Apoyo de Bocina.

 

            Estos resultados, producto del estudio realizado por WARTSILA (fabricantes de los componentes del  sistema), determinan que las magnitudes de vibraciones esperadas son bajas, a niveles bajos de potencia de la máquina y alejadas de las hélices, lo que hacen a las líneas de eje de los BVL un sistema confiable, sin embargo, se prevé que durante  el control combinado de la propulsión (rpm. del eje y paso hélice) el paso entre las principales velocidades de maniobra se salten los valores de rpm. críticos del eje.

 

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Última actualización el Lunes, 05 de Abril de 2010 15:05  

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