Ingeniería Mecánica: Acoplamientos hidrodinámicos de llenado constante.

Hace algún tiempo que deseaba crear una nueva entrada sobre los embragues o acoplamientos hidrodinámicos de llenado constante. En nuestra fábrica de papel son varios los puntos en los que encuentra su aplicación este tipo de acoplamientos, entre otros, las cintas de transporte del papel utilizado como materia prima, en su camino hacia los púlperes y en el accionamiento de nuestro pulper de tambor. Es un equipo que, cuando menos, llama la atención. Por sus características hidrodinámicas son muy apropiados para arrancar y mover máquinas donde deben acelerarse suavemente grandes masas, permiten además la transmisión de la fuerza con muy poco desgaste y por último, no necesitan una excesiva atención. Simplemente siguiendo unas determinadas pautas, marcadas por el fabricante del equipo, podemos mantener la funcionalidad y disponibilidad de este elemento de transmisión por mucho tiempo.

Dr. Hermann Föttinger (9 de febrero, 1877 Nuremberg; 28 de abril, 1945 Berlín)

El desarrollo de este tipo de transmisiones hidrodinámicas de potencia comienza a principios del siglo XX, concretamente gracias a la patente presentada por un ingeniero eléctrico llamado Hermann Föttinger en 1905. Föttinger, como empleado del astillero Stettiner Vulkan trató de combinar en la industria de la construcción naval el funcionamiento a gran velocidad de las, por entonces emergentes turbinas de vapor, con el lento funcionamiento de los propulsores de los barcos. La turbina de vapor, más potente y ocupando menos espacio, mejoraba significativamente la eficiencia en comparación con el motor de vapor directamente acoplado que se utilizaba hasta entonces.

Astilleros Stettiner Vulkan de Hamburgo en 1913

Realmente la cuestión de Föttinger consistió en resolver dos problemas, el primero fue la conversión de par y velocidad entre la máquina conductora y la máquina conducida y el segundo consistió en encontrar la forma de implementar un sistema eficaz que permitiera el giro del propulsor en ambos sentidos para permitir que el barco se desplazara tanto hacia atrás como hacia adelante. Rápidamente descartó la posibilidad de emplear un reductor de velocidad puesto que los engranajes de la época no resistían grandes esfuerzos. Otro de los primeros intentos fue utilizar la conversión eléctrica indirecta mediante un transformador diferencial de rotación. Sin embargo, el considerable volumen y masa del equipo de alta tensión que era necesario meter a bordo hacía que esta solución se descartase como opción. De forma sistemática, los estudios teóricos de resolución de problemas llevaron a Föttinger al uso de la hidrodinámica, desarrollando el convertidor hidrodinámico de par (convertidor Föttinger), una verdadera proeza de la ingeniería que le proporcionó un método extremadamente eficiente para transmitir potencia entre máquina conductora y conducida. Como reconocimiento a sus pioneros trabajos en el campo de la hidrodinámica, a Föttinger le ofrecieron el puesto de profesor de Mecánica de Fluidos en la Universidad Técnica de Danzig en 1909, y en la Universidad Técnica de Berlín en 1924.

Esquema funcional del principio de Föttinger

Sección de una turbina de vapor junto a un convertidor Föttinger

La transmisión de potencia entre máquina conductora y conducida se produce predominantemente de acuerdo con el principio de operación directo, por ejemplo a través de ejes, acoplamientos mecánicos o reductores. En contraste, la transmisión hidrodinámica de potencia se produce en base a un principio de operación de modo indirecto, es decir, la rueda primaria (bomba) transforma la energía mecánica en energía cinética en forma de caudal de un fluido interno. Este fluido con su alta energía fluye de forma centrífuga desde la rueda primaria hasta la rueda secundaria (turbina) donde se produce de nuevo una conversión de energía cinética en energía mecánica. La potencia es transmitida desde la bomba hasta la turbina sin que se produzca contacto alguno entre ambos elementos y por tanto sin desgaste y evitando la transmisión de vibraciones entre el eje conductor y conducido. Únicamente están sometidos a desgaste los necesarios elementos constructivos como rodamientos, retenes, etc.

Esquema del principio de transmisión hidrodinámica de potencia

En el siguiente vídeo de Voith Turbo podéis ver y escuchar (eso sí, en inglés) una explicación del principio de transmisión hidrodinámica de potencia, con el pequeño detalle que, en este caso, hace mención a la variación de la cantidad del fluido interno en un acoplamiento hidrodinámico, con lo cual podemos variar las condiciones de conversión de par y velocidad entre la máquina conductora y la conducida.

Todos los equipos hidrodinámicos constan de ambas partes primaria y secundaria, es decir, una bomba centrifuga y una turbina. El par resulta del cambio de dirección que experimenta el flujo por la rotación del fluido en las respectivas ruedas de paletas primaria y secundaria. Estas ruedas de paletas (bomba impulsora y turbina) están dispuestas en una carcasa cerrada de modo que el fluido interno fluya a través de ambas ruedas una y otra vez. Únicamente el fluido interno produce la transmisión de potencia y la velocidad de la turbina, conectada siempre a la máquina conducida, cambiará de acuerdo a la carga producida en su eje.

Modelo 3-D en sección de un acoplamiento hidrodinámico y su flujo de aceite

Accionamiento de una cinta de transporte de papel por medio de un acoplamiento hidráulico y freno eléctrico

Los acoplamientos hidrodinámicos de llenado constante están debidamente cerrados para evitar que el aceite usado como fluido interno pueda escapar al exterior. Los requerimientos de cada transmisión en particular determinarán el comportamiento de estos equipos y, por tanto, definirán la cantidad o volumen de fluido a utilizar, esta cantidad de aceite debe introducirse antes de la puesta en marcha. Suele llamarse nivel de llenado del acoplamiento a la relación entre el volumen de fluido con el que llenamos el equipo y el volumen total del mismo, este nivel de llenado hace trabajar al acoplamiento según una determinada curva hidrodinámica que determina el comportamiento del mismo, si añadimos o quitamos fluido de trabajo podremos adaptar el comportamiento de la transmisión a diferentes curvas de operación.

Sección de un acoplamiento hidrodinámico Voith Turbo 1000TV

Acoplamiento hidrodinámico para el accionamiento de un pulper de tambor

Los acoplamientos hidrodinámicos deben ir acompañados de un protocolo de montaje y puesta en servicio que informe de las curvas de transmisión (velocidad-par), cantidades a usar del líquido de trabajo, calidad del mismo, tolerancias de alineación entre eje conductor y conducido, etc. Como medida de seguridad, cabe mencionar que estos equipos suelen llevar tapones fusibles que ante un aumento excesivo de la temperatura del fluido de trabajo, ocasionado por la sobrecarga en la transmisión, se funden dejando escapar dicho fluido. Esto produce la falta del medio para lograr la transmisión y la máquina conductora y conducida se desconectan inmediatamente autoprotegiéndose de dicha sobrecarga. En cuanto al mantenimiento de este tipo de dispositivos de transmisión podemos mencionar la inspección visual cada 3 meses para comprobar la hermeticidad de la carcasa, ruidos anormales y que, en general, funciona bajo condiciones normales. Cada año y medio o 15.000h de funcionamiento es conveniente comprobar el nivel del aceite interno, analizarlo y cambiarlo si es necesario o encontramos suciedad, partículas extrañas, etc. en este caso habrá que eliminar todo tipo de impurezas internas antes de renovar el fluido según instrucciones del fabricante. Por último, hay que sustituir, según el periodo estipulado por el fabricante, tanto los rodamientos como los elementos de desgaste y sellado, esto se llevará a cabo evidentemente desmontando el elemento y sustituyéndolo por uno de repuesto.

Elementos que componen un acoplamiento hidrodinámico

Si tenéis interés en el montaje y desmontaje, en una entrada anterior que publiqué hace ya algún tiempo podréis comprobar cómo hicimos la sustitución del acoplamiento hidráulico en el accionamiento de nuestro pulper de tambor. En aquella ocasión, aunque el acoplamiento seguía transmitiendo, notamos su funcionamiento anormal con mucho ruido y vibraciones, sobre todo en los arranques del dispositivo. Tuvimos que sustituirlo por que sufrió daños internos en ambas ruedas de paletas. Bueno, espero que os resulte interesante. Os animo a dejar vuestros comentarios al respecto.

Un saludo

mecantech@gmail.com

 

 

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