La medición de par torsional es una de las mediciones más importantes en la industria. Especialmente para aplicaciones que van desde la caracterización de turbinas de gas de alta potencia hasta el cálculo de la fuerza necesaria para poder abrir la tapa de algún producto.

¿Qué es el par torsional?

El par torsional, también conocido como torque o momento de giro de apriete, es una magnitud derivada de las magnitudes fuerza y longitud. Para obtenerlo se aplica una fuerza a una distancia perpendicular de un eje de un cuerpo, tal que se genere en este cuerpo una rotación alrededor de este eje. (CENAM)

Por ejemplo, cuando se aplica fuerza en un sentido o en otro a una llave que está conectada a una tuerca o tornillo, se produce un par (fuerza de giro) que afloja o aprieta esa tuerca o tornillo.

Pero, el definir con exactitud esta magnitud en la industria no es nada sencillo. En este artículo hablaremos un poco de cómo disminuir la incertidumbre en la medición de par torsional en pruebas de motores de turbina.

Esta nota de aplicación menciona a un cliente de HBM que estaba readaptando grandes motores de turbina, específicamente los motores de reacción, para que pudieran trabajar ya sea con combustible diésel o gas natural. Estos motores serían usados para generar energía eléctrica en lugares lejanos que no cuentan con acceso a líneas de energía. Por ejemplo; plataformas de perforación de petróleo en alta mar, regiones no desarrolladas, etc.

Para este proyecto se planteó construir un banco de pruebas que proporcionara a los ingenieros los datos de par necesarios para introducir en el diseño cambios susceptibles que permitieran optimizar la eficiencia en el uso de combustible. Obtener datos de par precisos de estos motores es una parte esencial de este proceso.

Aunque la misión de la empresa por muchos años ha sido readaptar los motores de reacción en generadores de energía eléctrica, recientemente han decidido cambiar su método de medición de par con el objetivo de mejorar la exactitud de sus pruebas, minimizando la incertidumbre en las mediciones.

Anteriormente, el banco de pruebas de la empresa empleaba un método de medición de par no rotatorio, que consistía en un brazo de palanca y una celda de carga unidos a un dinamómetro flotante o apoyado en un cojinete (en el caso de grandes motores eléctricos se empleaba una transmisión o una carga) para medir el par de reacción (Figura 1).

La meta de la empresa era cambiar este método por un método de sensor de par en línea. Para esto, requerían utilizar sensores de par con intervalos de capacidad a gran escala de 200 Nm, 1 kNm, 2 kNm y 130 kNm. Los tres sensores con capacidades más pequeñas debían tener las mismas dimensiones y ser capaces de operar a velocidades de hasta 22,000 rpm. El sensor de par más grande tenía que operar a una velocidad de hasta 4,000 rpm.

Al igual que todo el banco de pruebas, los sensores de par utilizados tenían que ser extremadamente duraderos y fiables, dado que una secuencia de prueba podría durar desde unas pocas horas hasta algunos meses.

Cada sensor debía tener dos salidas de par separadas para ofrecer una mayor confianza en la exactitud de los datos y para servir como apoyo en caso de que una salida fallara durante la prueba.

Renovando el método de medición

En el método de par no rotatorio, el brazo de palanca estaba unido al dinamómetro y el torque era calculado con base en la distancia entre el centro del eje y el centro de la celda de carga multiplicado por la fuerza. Esta técnica se ha usado por más de medio siglo y a pesar de tener varios años de historia el usarla tiene sus ventajas. Por ejemplo; la alineación no es un factor crítico porque el sensor no está instalado en el eje rotatorio, la protección de sobrecarga es muy fácil de implementar. Además, el sistema es fácil de calibrar, porque para ello no hay necesidad de abrir el eje rotatorio.

Figura 1. Técnica de medición de par no rotatorio que utiliza un brazo de palanca y una celda de carga unida a un dinamómetro soportado por un cojinete para medir el par de reacción.

Sin embargo, también existen algunas desventajas asociadas a esta técnica de medición. La primera es la respuesta dinámica lenta (normalmente de hasta 20 Hz), esto se debe a que la masa del dinamómetro actúa como un filtro paso-bajo que aumenta la incertidumbre en la medición de par. Además, el dinamómetro debe estar soportado por cojinetes, los cuales debido a la fricción pueden aplicar un par adicional a la medición, sin mencionar que estos cojinetes requieren de un mantenimiento regular.

La nueva técnica de medición que el cliente eligió implicaba remover el brazo de palanca y la celda de carga, fijar el dinamómetro de modo que no estuviera soportado por los cojinetes y añadir un sensor de par en línea (Figura 2).

Figura 2. Se coloca un sensor de par en línea dentro de la configuración de la prueba.

Esta técnica emplea un sensor de par tipo brida y un sistema de telemetría digital, de manera que es totalmente sin contacto, con retroceso mínimo y sin cojinetes de soporte.

Medir el par con un sensor de par en línea ofrece varias ventajas para esta aplicación. Por ejemplo, permite medir el par dinámico real en el eje de rotación de manera más exacta y proporciona una respuesta dinámica mucho más rápida – de hasta 6 kHz, en vez de la respuesta de 20 Hz que se obtiene comúnmente con el brazo de palanca y la celda de carga.

El dinamómetro se monta sobre una base, lo cual elimina la muñonera y su efecto de fricción y las cuestiones de mantenimiento.

Adicionalmente, el sensor en línea proporciona una mayor exactitud en la medición de par dinámico. La Figura 3 muestra una comparación entre los patrones de par dinámico con un sensor en línea y con el método tradicional.

Figura 3. Los sensores de par en línea ofrecen una mayor salida de par dinámico. Cuando se utilizan métodos de reacción (celda de carga y brazo de palanca), la masa del dinamómetro puede actuar como un filtro paso bajo (usualmente a 20 Hz), susceptible de aumentar la incertidumbre de la medición.

Al igual que con la técnica de la celda de carga y el brazo de palanca, el uso de un sensor en línea también tiene algunas desventajas ya que cuando se coloca un sensor de par en un eje rotatorio la alineación se convierte en un factor crítico y la protección contra sobrecarga es más difícil, también se complica el proceso de calibración del sistema ya que se requieren modificaciones en el eje rotatorio o el desmontaje del sensor.

Figura 4. El gráfico superior muestra un eje de transmisión que se flexiona al acercarse a su velocidad crítica (es decir, las rpm a las que su comportamiento se vuelve inestable y empieza a vibrar). El gráfico inferior muestra un eje de trasmisión más ligero, corto y rígido.

Diseñando un sensor a medida

El diseño y desarrollo de un sensor de par de giro para una aplicación de este tipo, exige considerar numerosos factores. Si el rotor del sensor está hecho de titanio en lugar de acero, el sensor tendrá un menor peso y si se combina esta construcción en titanio con una longitud total mínima, se reduce el peso total de la transmisión, lo cual ayuda a evitar “velocidades críticas” del eje rotatorio durante el proceso de pruebas. En pocas palabras, la velocidad crítica es el punto (expresado en rpm) en el cual un eje rotatorio se vuelve inestable; es decir, empieza a vibrar armónicamente.

El objetivo consiste en crear una transmisión que sea lo más corta, rígida y ligera posible, con el fin de evitar vibraciones indeseables y desalineación del eje (cosas que no solo aumentan la incertidumbre de medición, sino que también pueden llegar a causar un fallo catastrófico de la transmisión).

Un número creciente de sensores de par en línea utilizan una alimentación de corriente alterna del puente de galgas para mejorar la inmunidad al ruido de la medición de par. Con ello mejora la exactitud de la medición de par, sobre todo con pares muy bajos.

Para cumplir con los requisitos de esta prueba, el equipo de desarrollo de sensores de par de HBM decidió que la mejor solución era un sensor de par en línea hecho a medida.

Este diseño era indispensable ya que a pesar de que existen en el mercado muchos sensores de par estándar de alta exactitud, ninguno se ajustaba a las necesidades del cliente: doble salida, longitud a medida de un separador de acoplamiento ya existente, revoluciones extremadamente altas y un empernado no estándar (Figura 5).

 

 

 

 

 

Figura 5. Sensor de par en línea diseñado para caracterizar el comportamiento de motores a reacción empleados para generar energía eléctrica.