Tornillo de potencia: análisis de pulsaciones y vibraciones

Los compresores de tornillo son máquinas de desplazamiento positivo que generan pulsaciones inherentes (fluctuaciones de presión). El rotor macho generalmente tiene cuatro lóbulos; por lo tanto, el componente de frecuencia principal del flujo de descarga se encuentra en 4 × la velocidad del compresor (4 × rpm). Para compresores de cuatro lóbulos, la frecuencia de excitación de pulsación dominante está en la frecuencia primaria de paso de lóbulo (PPF) de 4 × rpm. Las pulsaciones y vibraciones excesivas pueden provocar fallas en tuberías de pequeño diámetro, incluyendo grietas en las líneas de aceite lubricante (para compresores de tornillo inundados en aceite) y en la instrumentación, lo que podría causar fugas de gas y situaciones potencialmente peligrosas. Por lo tanto, es importante considerar las pulsaciones del sistema, particularmente para compresores de mayor potencia.

Los diseños de silenciadores relativamente estandarizados desarrollados por muchos fabricantes de compresores han demostrado reducir significativamente las pulsaciones generadas por el compresor, lo que resulta en vibraciones y ruidos aceptables. Debido a los diseños de silenciadores estandarizados y probados, y a las envolturas acústicas de tuberías aguas abajo de los compresores, la mayoría de las instalaciones de compresores de tornillo no requieren un análisis de pulsaciones y/o vibraciones. Además de las implementaciones de atenuación de vibraciones, pulsaciones y ruido del compresor, las cajas de engranajes generalmente se colocan en un recinto insonorizado. Con estas medidas, muchos fabricantes de compresores pueden lograr un nivel de presión sonora de 85 dB.

Si la velocidad, la relación de presión, el peso molecular del gas, la presión de descarga y la sobre/subcompresión se encuentran dentro del rango de experiencia del fabricante, normalmente no es necesario un estudio acústico o de pulsaciones detallado. Se debe buscar el consejo del fabricante.

Problemas de Pulsación en Compresores de Tornillo

Existen algunas situaciones en las que los compresores de tornillo pueden experimentar problemas de pulsación. Debido a las velocidades de funcionamiento relativamente altas de los compresores de tornillo, las frecuencias de excitación de pulsación suelen ser mucho más altas que las asociadas con los compresores reciprocantes. Por lo tanto, se pueden excitar (resonar) los modos acústicos unidimensionales (1D) y tridimensionales (3D). La resonancia puede ocurrir si las frecuencias de excitación del compresor coinciden con las frecuencias naturales acústicas 1D y/o 3D asociadas con la geometría de la tubería y/o el recipiente y las propiedades del gas. Sin embargo, la forma y la ubicación de las frecuencias naturales acústicas determinan si existe o no una resonancia acústica.

La excitación de los modos acústicos (resonancia acústica) puede provocar vibraciones/zumbidos en las paredes de las tuberías y/o del recipiente, y esas vibraciones pueden amplificarse significativamente si la frecuencia de una resonancia acústica coincide con las frecuencias naturales mecánicas de los modos de las tuberías y/o la carcasa del recipiente.

Las características de pulsación a frecuencias más bajas se pueden evaluar con un análisis acústico 1D. A frecuencias más altas, se pueden excitar los modos acústicos asociados con el recipiente del silenciador, el separador/depósito de gas-aceite, el paso interno de gas-aceite (IGP) del compresor de tornillo y las tuberías de conexión. Estos modos cruzados acústicos (modos 3D) pueden excitar modos de vibración/mecánicos de la carcasa que implican deformaciones tanto circunferenciales como axiales. Se puede realizar un análisis de elementos finitos (FEA) acústico 3D para permitir la predicción de las formas y frecuencias de los modos radiales o de otros modos 3D acústicos asociados con los silenciadores, el IGP del compresor y las tuberías de conexión para evitar el riesgo de excitar modos acústicos y mecánicos 3D.

El FEA acústico 3D se puede acoplar con un FEA mecánico del silenciador para predecir las frecuencias de respuesta significativas para los silenciadores, lo que podría provocar una vibración alta si coincide o casi coincide con los órdenes de excitación del compresor.

En general, los compresores de tornillo secos son más propensos a problemas de pulsación y vibración; sin embargo, los compresores de tornillo húmedos (inundados en aceite) a veces también pueden tener problemas de pulsación y/o vibración. Los compresores de tornillo inundados en aceite normalmente no tienen silenciadores de succión o descarga, por lo que hay menos atenuación de pulsaciones entre el compresor y las tuberías de conexión. Sin embargo, los silenciadores de succión suelen ser menos críticos, y el aceite y la "espuma" (mezcla de aceite y gas) que se crea al agregar el aceite a la trayectoria del flujo tiende a agregar una amortiguación significativa a las pulsaciones generadas por el compresor.

Atenuación de Pulsaciones en Compresores de Alta Potencia

Para compresores de tornillo de mayor potencia (> 370 kW), generalmente se diseña un filtro/silenciador acústico tipo resonador de Helmholtz (amortiguador de pulsaciones de tipo reactivo) para reducir las amplitudes de pulsación aguas arriba y/o aguas abajo a niveles aceptables. Estos tipos de silenciadores son arreglos de volumen-estrangulamiento-volumen que están diseñados de manera que las respuestas acústicas asociadas con el diseño del silenciador estén por debajo de la frecuencia de paso del lóbulo del compresor de tornillo (4 × velocidad de funcionamiento) y dan como resultado un flujo con amplitudes de pulsación significativamente reducidas. Este tipo de diseño también puede resultar en una reducción del ruido emitido por el sistema. Sin embargo, un silenciador reactivo que está mal diseñado para una aplicación determinada puede provocar altas vibraciones de la carcasa y amplificación del ruido.

Los recipientes de filtro acústico son más efectivos para atenuar las pulsaciones en el extremo inferior del espectro de frecuencia y pueden proporcionar cierta atenuación en las frecuencias medias y altas. Los recipientes y aplicaciones de tuberías de tipo pasivo o absorbente también pueden atenuar con éxito las pulsaciones. Los recipientes de tipo absorbente suelen ser buenos para atenuar el contenido de frecuencia más alta de las pulsaciones, pero estos tipos de recipientes son menos efectivos para atenuar las frecuencias de pulsación bajas y medias. Algunos ejemplos de recipientes absorbentes son los recipientes que están revestidos o que tienen elementos internos que incluyen arena contenida en una pared de acero relativamente delgada o lana de acero retenida con láminas de metal perforadas y/o malla de acero.

Para atenuar las amplitudes de pulsación tanto a frecuencias bajas como altas, a veces se implementan diseños reactivos y absorbentes. Los materiales absorbentes se pueden instalar dentro de recipientes de tipo volumen-estrangulamiento-volumen para reducir significativamente las amplitudes de pulsación en todo el espectro de frecuencia.

El diseño del compresor para la aplicación dada puede desempeñar un papel importante en la determinación de si las amplitudes de pulsación resultantes son excesivas o no. Si el V i no produce una relación de compresión que corresponda con la aplicación del sistema, se producirá una subcompresión o una sobrecompresión. Una subcompresión o sobrecompresión en una cantidad excesiva dará como resultado amplitudes de pulsación del sistema de descarga significativamente más altas; sin embargo, es menos probable que la subcompresión cause amplitudes de pulsación más altas.

Si se aplican correctamente, las placas de orificio se pueden utilizar en los sistemas de tuberías de compresores de tornillo para reducir significativamente las amplitudes de pulsación. Por lo general, un orificio es simplemente una placa de metal con un solo orificio/perforación. Algunas investigaciones han concluido que los orificios de múltiples orificios son más efectivos para reducir las amplitudes de pulsación a frecuencias superiores a aproximadamente 100 Hz.

Consultas Habituales sobre Tornillos de Potencia

Tabla Comparativa de Métodos de Atenuación de Pulsaciones

Conclusión: El diseño y la implementación adecuados de sistemas de atenuación de pulsaciones son cruciales para el funcionamiento eficiente y seguro de los compresores de tornillo, especialmente aquellos de alta potencia. La selección del método de atenuación dependerá de las características específicas de la aplicación y las frecuencias de pulsación predominantes.