API 687 Capitulo 0: Definiciones (continuación) – Cojinetes Hidrodinámicos

¡Gracias por leer mis publicaciones y por sus comentarios!

Cuando pienso en los próximos temas y publicaciones, se me viene a la cabeza una lista interminable. Hay tanto que explicar que podría llenar libros con todos los detalles. Tengo que recordarme que mi intención es enfocarme en lo que realmente importa en el mundo de las reparaciones; las cosas prácticas y esenciales que aprendí cuando comencé en este mundo de turbomaquinaria.

Si dejo algún detalle que ustedes les parezca importante, no duden en escribir un comentario o publicar en mi página de blog de Preguntas y Comunidad.

Tuve que decir todo esto porque el próximo término que explicare del Capítulo 0 de API 687 es Cojinetes Hidrodinámicos, ¡y hay tanto que cubrir detrás de este término!

Cojinetes Hidrodinámicos

En su esencia, la palabra hidrodinámica se refiere al estudio de los fluidos en movimiento.

Un Cojinete Hidrodinámico es un tipo de cojinete de película de fluido que soporta la carga de un eje utilizando una delgada película de fluido lubricante o aceite. En algunos lugares también se conoce a un cojinete como una chumacera.

Esta película se genera por el movimiento relativo entre las superficies del cojinete, lo que crea una presión autogenerada que soporta la carga del elemento rotativo.

En contraste, otro tipo de cojinete de película de fluido es el cojinete hidrostático, que depende de una bomba externa para suministrar suficiente presión de aceite para levantar el muñón, independientemente del movimiento del eje.

Una bomba, una turbina de vapor o un rotor de compresor, cuando se instalan en una máquina, experimentan dos tipos principales de fuerzas: fuerzas radiales y fuerzas axiales.

Fuerzas radiales

El peso del rotor crea una fuerza hacia abajo; esta fuerza es soportada por los cojinetes radiales. Los cojinetes radiales también se conocen como muñón. Técnicamente, el término muñón se refiere a la parte del eje que gira dentro del cojinete, particularmente la superficie que entra en contacto directo con el cojinete.

Cojinete radial y muñón pueden usarse indistintamente cuando se refieren a cojinetes que soportan fuerzas radiales.

Los cojinetes radiales básicamente actúan como una cuna que sostiene al rotor y lo mantiene en su lugar, soportando su peso y cualquier otra fuerza lateral (radial) que ocurra durante la operación.

Fuerzas axiales

A medida que el vapor pasa a través de una turbina o a medida que los gases se comprimen dentro de un compresor, el fluido que actúa sobre el rotor crea una fuerza a lo largo del eje del rotor, empujándolo en una dirección.

Esta es la fuerza axial. Un cojinete de empuje actúa como una pared e impide que el rotor se mueva de un lado a otro.

Hay muchos tipos de cojinetes radiales y de empuje dentro de la familia de "cojinetes de película de fluido" y "cojinetes hidrodinámicos". No podremos cubrirlos todos en esta edición, pero quizás en el futuro podamos profundizar en todos ellos como si estuviéramos explorando deliciosas carnes en una parrilla o asado. Hoy nos centraremos en ilustrar las partes importantes de un cojinete de muñón hidrodinámico cilíndrico, que considero la entraña de los cojinetes de película de fluido.

Si buscan imágenes de cojinetes de película de fluido o cojinetes hidrodinámicos, se encontrarán con una ilustración como la que he creado a continuación.

Las cosas importantes que quiero señalar son las siguientes:

1. La ilustración no está a las proporciones correctas; el eje se muestra más pequeño de lo que es en realidad para ilustrar el hecho de que hay espacio entre el muñón y el revestimiento del cojinete. La brecha o "holgura" entre el muñón y el revestimiento del cojinete es increíblemente pequeña, medida en micras o micrones. Como regla general, podemos calcularlo como de 0.001 mm a 0.0015 mm por milímetro de diámetro del muñón. Así que, para un eje de 200 mm de diámetro, la holgura seria de 0.2 mm a 0.3 mm. Eso es aproximadamente el grosor de dos hojas de papel blanco. (Una hoja normal de papel de impresora tiene un grosor de aproximadamente 0.1 mm)
   

2. El espacio entre el eje y el revestimiento está inundado de aceite. Recuerden que este es un cojinete hidrodinámico, por lo que es auto-presurizante. Para su funcionamiento es necesario mantener la cavidad llena de aceita para que haya suficiente lubricación y eliminación de calor. En la práctica, la presión de suministro de aceite del cojinete oscila entre 83 y 138 Pa (12-20 psig).
   

3. Auto-presurizante significa que, debido a la fricción y la viscosidad dentro del aceite, la rotación del eje crea una cuña de aceite y esto es lo que amortigua el eje. Cuando un eje gira, se levanta desde el fondo del cojinete y flota sobre la cuña de presión. No hay contacto metal con metal durante la operación.
   

4. No hay contacto entre el muñón y el revestimiento, pero si lo hubiera, no querríamos que dos partes de metal duro se toquen. Por lo tanto, el cojinete está revestido de un metal blando llamado Babbitt, una aleación hecha con estaño o plomo. (Más sobre Babbitt, el metal y su inventor el Sr. Babbitt en otra ocasión). En el mundo de las reparaciones, a menudo se tiene que restaurar la superficie de los revestimientos de los cojinetes en un proceso que llamamos repavimentación (o rebabitar), donde el Babbitt desgastado o dañado se retira y se aplica un nuevo Babbitt, ya sea por soldadura o fundición. Del mismo modo, si hubiera daños en el muñón (por ejemplo, si estuviera muy rayado debido a una falla en el sistema de aceite o si se frotara mucho), podría necesitar ser resuperficializado. También hablaremos de esto en detalle en el futuro.
   

5. Pueden notar que el eje no está perfectamente centrado dentro del cojinete. Esto se debe a que el perfil de presión del aceite hace que el muñón "suba" o “trepe” la pared del cojinete. La dirección en la que sube es contra la rotación y a menudo es fácil de confundirse, ya que puede parecer contra intuitivo. Recuerden que hay fuertes fuerzas hidrodinámicas en juego y no hay contacto entre el muñón y el revestimiento. Es la magia y la física de la cuña de aceite lo que acuna y posiciona el eje dentro del cojinete.
   

6. Los cuerpos de los cojinetes están hechos de acero o cobre. El cobre se usa cuando la eliminación de calor es importante y ya que tiene mejor conductividad térmica que el acero.
   

7. Las ilustraciones académicas siempre mostrarán lo que llamo "el misterioso perfil de presión". Pueden comparar varias imágenes del internet y se darán cuenta que la forma de la curva nunca parece ser la misma. Estoy seguro de que los tribólogos lo han calculado; de hecho, estoy seguro de que mi tribólogo favorito en el mundo, el Dr. San Andrés, debe haberlo explicado en detalle en clase. (Lo siento, no presté atención ese día, Dr. San Andrés. En ese momento no sabía lo útil que iba a ser ese conocimiento).

De todos modos, este misterioso perfil ilustra el hecho de que la cuña de aceite ejerce una fuerza sobre el muñón por medio de esa presión autogenerada.

Varias veces he mencionado que no hay contacto entre partes metálicas, lo que puede sonar increíble, pero es cierto. Esta película de aceite realmente delgada proporciona el soporte y en el contexto de la dinámica del rotor, proporciona toda la rigidez y el amortiguamiento al sistema de "suspensión" que acuna los rotores dentro de las máquinas.

Realmente desearía tener la capacidad de atención y el tiempo en este momento para entrar en el tema de la rotodinámica y el efecto que tiene el diseño de los cojinetes en la estabilidad del rotor, pero esto, como todo lo demás, es muy vasto.

Apenas hemos comenzado a entender a la entraña de los cojinetes de película de fluido. Dejemos los chinchulines, matambres, picañas, cojinetes de limón, cojinetes de almohadilla tilt pad y cojinetes de película amortiguadora para otro día.

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Pensando en voz alta

Me doy cuenta de que traducir o escribir en español es más difícil que escribir en inglés.

Después de todo en inglés, no importa en que estado uno este en EEUU, los términos utilizados son los mismos.

Pero en Latinoamérica, los términos técnicos varían bastante entre países.

¡Así que voy a necesitar ayuda!