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ING. MATENIMIENTO
INTRODUCCIÓN
La Producción de Energía Eléctrica por medio de centrales aprovechando energía de
saltos de agua en la región andina de nuestro país, existen centrales de pequeña
envergadura que también suministran energía al Sistema Nacional, ese es el caso de la
Empresa Eléctrica de Riobamba que genera un total de 10,4 megavatios, a esta le
pertenece la Central Hidroeléctrica de Alao que tiene 4 turbinas Pelton que generan
2,6 megavatios cada una.
Con el análisis del par tribologico de la turbina Pelton podemos desarrollar una
solución para que dicha empresa evite tiempos de parada por fallas en los cojinetes de
deslizamiento de las turbinas, por fallas inesperadas por el tipo de operación al que
están sometidas que los pone a funcionar con un nivel de exigencia que sobre pasa su
normal desempeño.
Pudiendo de esta manera optimizar la vida útil de los cojinetes de deslizamiento
evitando paradas innecesarias para cambio de estos, y además el alto costo que
representa la importación y compra de este tipo de cojinetes.
ING. MATENIMIENTO
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Evaluar y desarrollar el análisis del par tribológico eje-cojinete de rozamiento de la
turbina Pelton.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar el par tribológico eje-cojinete de rozamiento de la turbina
Pelton.
Determinar el régimen de lubricación del par tribológico.
Calcular el coeficiente de fricción y el potencial de fricción.
Determinar la mecánica de contacto del par tribológico eje-cojinete de
deslizamiento de la turbina Pelton.
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MARCO TEORICO
Turbinas Pelton
Fig. 1. Turbinas Pelton
FUNCIONAMIENTO
Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de
saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes
de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden
del 90%.
Cazoletas.- En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino
tangencial; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble
cuchara, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos,
circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º,
contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros.
El agua una vez sale de la cazoleta, cae libremente una cierta altura, pasando al cauce
inferior.
Inyector.- El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una
válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder
asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida
del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la
salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la
atmosférica.
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El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección
anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire.
La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una
aguja de forma especial; su regulación puede ser manual o automática mediante un
servomotor.
Fig. 2. Esquema De La Turbina Pelton
Reparación de cojinetes para turbina Pelton
La Empresa Eléctrica Riobamba S.A. en su afán de incorporar tecnología nacional en los
trabajos de mantenimiento de las turbinas invito a fabricantes de la localidad a que
participen en la reparación de los cojinetes de la central Alao y que consistía en el
revestimiento de dos cojinetes grandes de 250 mm de diámetro, dos cojinetes
pequeños de 180 mm de diámetro de las turbinas hidráulicas de la central Alao.
En la central de Alao están instalados cuatro grupos de turbina tipo Pelton. Por medio
de dos inyectores ingresa 0,97 metros cúbicos por segundo, lo que las hace girar a 720
revoluciones por minuto, el generador acoplado a la turbina es de 2,6 megavatios de
potencia, dando un total de 10,4 megavatios en la central.
Fig. 3. Cojinete De La Turbinas Pelton
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Cojinetes grandes y pequeños del eje principal de la turbina
2 Cojinetes grandes del eje principal
Diámetros: Interior N1 =250 mm, Exterior N2= 393 mm.
Longitud= 360 mm.
Material de respaldo: Hierro fundido de dos piezas con revestimiento.
Fig. 4. Cojinete Grande De La Turbinas Pelton
2 Cojinetes pequeños del eje principal.
Diámetros: Interior N1 =180 mm, Exterior N2 =295 mm.
Longitud= 286 mm.
Material de respaldo: Hierro fundido de dos piezas con revestimiento de magnolia.
Fig. 5. Cojinete Pequeño De La Turbinas Pelton
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El revestimiento del cojinete que es objeto de estudio es de “magnolia” con un espesor
de 8mm, el término es muy genérico y se debe entender a nivel de ingeniería que los
materiales que se usan son los de la Norma ASTM B23 y sus diferentes grados varían
de acuerdo a su composición química y se dividen en dos grandes familias. Los grados
1, 2, 3,11 son en base de estaño y los grados 7, 8, 13,15 son en base de plomo.
El nombre magnolia se hizo popular en el léxico de los mecánicos debido a la gran
fama que adquirió un proveedor de este metal Babbitt el cual le puso su nombre
comercial “magnolia” esto sucede en la época cuando se necesita mucho de este metal
en la industria naval y de ferrocarriles, y con ello nace la confusión, para despejar
cualquier duda citamos al metal blanco llamado “magnolia” el cual es solo en base de
plomo y por cierto no consta en las normas Norteamericanas ASTM B23, SAE J460e ni
QQ-T-390, su composición química en base de Pb es la que consta en la tabla 1 y se
compara con otras marcas conocidas internacionalmente.
TABLA 1
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Aplicaciones de estos materiales en la industria
Se aplica en equipos de enorme importancia y tamaño en equipos industriales, tales
como:
Turbinas de Vapor, Turbinas de Gas, Turbinas Hidráulicas, Motores Eléctricos,
Reductores, Bombas, Compresores y Molinos.
Características tecnológicas del metal blanco o material antifricción “Babbitt”
Se conocen como aleaciones o metales antifricción determinadas aleaciones más o
menos complejas , empleadas para revestir cojinetes a los que se le proporciona
cualidades muy superiores a las de metal base.
Los metales más comúnmente usados en las aleaciones antifricción son: el estaño,
plomo, cobre y antimonio.
El constituyente duro resiste el desgaste con un coeficiente de rozamiento reducido y
el constituyente blando permite el ajuste automático del cojinete al eje y asegura un
reparto equitativo de las cargas además, debe tener la capacidad de adherir a él
partículas extrañas (polvo y suciedad del aceite) y soltar su lubricación, para que no
produzca el desgaste natural de la matriz blanda.
Las propiedades que deben reunir una buena aleación antifricción son las siguientes:
Plasticidad, para que se deforme con facilidad adaptándose a los defectos de
alineación del eje y para resistir además sin romperse los choques que le
transmite este
Resistencia al desgaste
Resistencia a la compresión
Resistencia a la corrosión para que no pierda calidad, si es atacado por los
agentes corrosivos de los lubricantes o productos de combustión incorporados
a ellos.
Conductividad calorífica, para que disipe el calor producido en el rozamiento.
Adherencia con el metal base (casquillo)
Bajo coeficiente de rozamiento
Bajo punto de fusión
Deformabilidad con Incrustabilidad
Presentación de los 4 cojinetes de deslizamiento a reparar
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A las turbinas se les hace mantenimiento entre seis meses a un año, sin embargo se
puede volver a usar el mismo cojinete siempre y cuando su desgaste no ha sido critico
hasta unas tres o cuatro paradas, esto nos da un promedio de vida útil del cojinete de
dos a cuatro años, las Chumaceras antifricción deberán tener un tiempo de vida de
40,000 horas = 4,5 años promedio, por lo que según el criterio del ingeniero a cargo
decide el remetalizado a los casquillos, los parámetros básicos para remplazar el
Babbitt es el juego que hay entre el Babbitt y el árbol debido al desgate, si este es
exagerado produce la vibración del eje principal y en la turbina Pelton existirá ruido y
la producción de calor se incrementa, en pocas palabras se tiene una turbina
ineficiente.
En la siguiente figura se presenta el conjunto de partes que deben ser reparadas en su
metal antifricción en mal estado.
Fig. 6. Cojinetes De Las Turbinas Pelton
Se inspecciona las fallas superficiales en los cojinetes, se registran los desgastes
mediante fotos y se clasifican los mismos, como resultado tenemos tres cojinetes en
base de plomo, dos pequeños y uno grande, y en base de estaño tenemos solo un
cojinete grande. (El espesor del metal Babbitt = 8mm).
Condiciones de operación
La central hidroeléctrica Alao está ubicada en la serranía del Ecuador y la zona tiene un
ambiente limpio, seco y frío los cuales se convierten en condiciones favorables para la
operación de la central. El clima es frió con una temperatura de 6 a 15 grados
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centígrados lo cual se convierte en un parámetro propicio para el Babbitt, ya que la
temperatura de trabajo del cojinete tiende a ser moderada
Características técnicas de la turbina.
TABLA 2
Condición de desgaste de cojinetes.
Los cojinetes de tipo radial son lubricados con el lubricante “Mobil DTE Oil Medium ISO
VG 32” y tienen un sistema de lubricación con anillos de aceite por mecha o goteo y se
estima un tiempo de vida útil de dos años aproximadamente sin embargo, por las
maniobras de arranques y paradas, su vida útil puede disminuir dramáticamente.
En el caso de los arranques, como parte de velocidad cero existe un leve deslizamiento
en seco entre el material del cojinete y el árbol de acero AISI 316 hasta vencer la
inercia y conseguir su velocidad de trabajo, aunque involuntariamente la turbina se
embala, esto quiere decir que al realizar las paradas de mantenimiento y se reinicia la
operación, se suprime la carga de generación lo que ocasiona que la turbina gire en
vació hasta llegar a tener una velocidad de 1300 rpm.
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Fig. 7. Condición Superficial De Cojinetes De Turbina Pelton
Como se ve en la figura, las huellas en la superficie de contacto representa las áreas
donde se produjo el desgaste en la parte derecha por su arranque y la huella izquierda
por su parada producto del embale de la turbina.
Se entiende que el sistema de operación de esta turbina no es usual y es en
consecuencia potencialmente pueden constituirse en la causa principal de desgaste
por lo que colapsan los cojinetes.
TABLA 3
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Mobil DTE Oil
Lubricantes de Muy Alta Calidad para Turbinas Industriales.
Los Mobil DTE Oils Light, Medium, Heavy Medium y Heavy, son aceites de circulación
de alta calidad especialmente desarrollados para la lubricación de turbinas industriales
de agua o vapor así como otros sistemas donde se requiere larga vida de servicio del
lubricante. Están elaborados con aceites minerales de alta calidad y aditivos
seleccionados para impartirles una excelente resistencia a la oxidación, estabilidad
térmica, características anticorrosivas, antiherrumbrantes, de separación de agua, alta
resistencia a la emulsificación y propiedades antidesgaste.
Poseen un alto índice de viscosidad que asegura una mínima variación del espesor de
película con la temperatura así como una pérdida de potencia mínima durante el
periodo de calentamiento.
Material Del Eje
Acero Inoxidable AISI 316
El acero inoxidable AISI 316 es una aleación con 13 % Ni y 18 % Cr, con adición de 2 %
Mo. El acero inoxidable AISI 316 posee una excelente resistencia a la corrosión. El
acero inoxidable AISI 316 puede presentar precipitación inter granular de carbonatos
en temperaturas entre 460 °C y 900 °C, cuando las condiciones de corrosión son de
tipo severas. La temperatura máxima de operación del acero inoxidable AISI 316 en
servicio continuo es de 760 °C. El acero inoxidable AISI 316 tiene una dureza de 160
HB.
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HOJA DE DATOS DEL SISTEMA TRIBOLOGICO
Fig. 8. Turbina Pelton
1. DENOMINACIÓN: Eje- cojinete de deslizamiento
2. FUNCIÓN: transmitir movimiento
3. ESQUEMA
Fig. 9. 1 y 2 Cuerpos sometidos a fricción, 3 Contaminante, 4 Medio
4.-DESCRIPCIÓN ESTRUCTURAL: COJINETE EJE
FORMA: Cilíndrico hueco Cilíndrico
MACROGEOMETRIA: Liso Distribución uniforme
MICROGEOMETRIA: Torneado Torneado
MATERIALES Y PROPIEDADES: Hierro Fundido AISI 316
CONTAMINANTE:
MEDIO:
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5.-PROPIEDADES DEL PAR:
TIPO DE CONTACTO: Superficial
TIPO DE FRICCIÓN: Deslizamiento
ESTADO DE FRICCIÓN: Lubricado
GRADO DE RECUBRIMIENTO: Magnolia 8mm
HUELGO: 1.143 mm
6.-CONDICIONES DE TRABAJO:
TIPO DE MOVIMIENTO: Rotación
CARÁCTER DEL MOVIMIENTO: Estacionario
VELOCIDAD RELATIVA 720 rpm
MAGNITUD DE LA CARGA NORMAL: 18700N
PRESIÓN:
CARÁCTER DE LA CARGA: Constante
TEMPERATURA DE TRABAJO: 45 ⁰C
7.-COMPORTAMIENTO FRICCIONAL
FUERZA DE FRICCIÓN:
MOMENTO FRICCIONAL:
TRABAJO O ENERGÍA DE FRICCIÓN (EFICIENCIA):
COEFICIENTE DE FRICCIÓN:
RECORRIDO DE FRICCIÓN:
MAGNITUD DEL DESGASTE:
TIPO DE DEGASTE: Abrasivo
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DESARROLLO
Datos:
Diámetros del cojinete: Interior N1 =250 mm, Exterior N2= 393 mm.
Longitud = 360 mm.
Diámetros del eje: 248.857 mm
Radio del cojinete: 125 mm
Radio del eje: 124.4285 mm
Holgura eje-cojinete = 1.143 mm
Superficies de contacto: acero AISI 316 / Hierro fundido de 2 piezas con revestimiento
de magnolia (2.0 - 4.0 % Sn, 13.0 – 15.0 % Sb, Balance % Pb, 0.30 - 0.60 % As).
Velocidad = 720 rpm = 75.4 rad/s
Carga: 18.7 kN
Aceite industrial: ISO VG 32
Viscosidad cinemática = 32 Cst = 32 mm²/s
Densidad del lubricante = 860 kg/m³ = 0.86 g/cm³
Temperatura promedio de trabajo: 45 ⁰C
SOLUCION
RÉGIMEN DE LUBRICACIÓN
Viscosidad cinemática
Densidad
Viscosidad dinámica
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Sumatoria de velocidades
= Es Del Cojinete
= Es Del Eje
= d/2 =248.857 /2 = 124.4285 mm
Radio de curvatura
Espesor de película
ES LUBRICACIÓN FLUIDA CON RÉGIMEN DE LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA
COEFICIENTE DE FRICCIÓN
Numero de sommerfeld
Carga de cojinete
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Huelgo relativo
Numero de sommerfeld
Coeficiente De Fricción
Cuando >1 se puede aplicar
Pero es recomendable usar:
Para = = 0.6944 < 1; m =1
POTENCIAL DE FRICCIÓN
MECÁNICA DE CONTACTO
Nº Elemento Material Dureza Modulo De Ф R.P.M Coeficiente
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HB
Kg/mm²
Elasticidad
GPa mm
De Poisson
1 Cojinete Hierro fundido
con revestimiento
(magnolia 8mm)
21 36.5 250 _____ 0.45
2 Eje Acero AISI 316 160 193 ____ 720 0.30
CONTACTO MACROGEOMETRICO
Magnitud del arco de contacto
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Área nominal de contacto
Carga aplicada
CONTACTO MICROGEOMETRICO
I Según la rugosidad superficial
Contacto rugoso-liso
II Según la cinemática de los cuerpos
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Par directo
HB₂ > HB₁
160 > 21
III Según el estado tensional
Microcorte
El acabado superficial del eje es un torneado y obtenemos un grado de acabado de
3.2 µm
Φ > 1.0 es deformación plástica
Ф <0.6 es deformación elástica
571.889 >1.0 Es Deformación Plástica
El numero de aspereza en el área nominal
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CONTACTO PLÁSTICO
Área real de contacto
Presión real de contacto
Número de puntos en contacto
Área real de deslizamiento
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CONCLUSIONES
Establecí el par tribológico eje-cojinete de rozamiento más idóneo de la turbina
Pelton para ser objeto de estudio en el presente trabajo.
Se determino el régimen de lubricación al que se encuentra sometido el par
tribológico seleccionado de la turbina Pelton.
Obtuve los valores cuantitativos del coeficiente de fricción y el potencial de
fricción de eje-cojinete de deslizamiento de la turbina Pelton.
Determine el contacto macro y microgeométrico del par tribológico eje-
cojinete de deslizamiento de la turbina Pelton.
RECOMENDACIONES
Que las universidades y los estudiantes promueva la creación de laboratorios
de tribología para evaluar los materiales antifricción de estos cojinetes y
mejorarlos para otras aplicaciones de importancia donde existan este tipo de
cojinetes de deslizamiento o de fricción
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Desarrollar un proyecto para el análisis a fondo de la causa que ocasiona las
fallas en estos cojinetes con el fin de reducir costos de mantenimiento y el
cambio de los mismos debido a su alto valor en el mercado.
BIBLIOGRAFIA
Calixto Rodríguez Martínez “Mecánica de contacto”
Dr. José Granizo “Apuntes de la clase”
LINKOGRAFIA
http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/4462/1/6982.pdf
FACULTAD DE MECANICAIng. de Mantenimiento
Bayron VergaraOctavo Semestre
TRIBOLOGIA
ANALISIS TRIBOLÓGICO
PAR TRIBOLÓGICO EJE-COJINETE DE DESLIZAMIENTO DE LA
TURBINA PELTON