Optimización de Vibración en Acoplamiento Fluido de Bombas de Alimentación de Caldera: Un Estudio de Caso

Una bomba de alimentación de caldera (BFP) impulsada por un acoplamiento fluido vinculado a la turbina de vapor principal sufría vibración excesiva, causando reemplazos frecuentes de rodamientos. La planta dependía de esta única BFP para generación de energía, operando el eje de salida del acoplamiento fluido entre 2,000 rpm y 3,500 rpm. Mechanical Solutions Inc. (MSI) realizó pruebas exhaustivas que permitieron a la planta ajustar operaciones de forma segura hasta implementar una solución permanente durante una parada programada.

El trabajo de campo de MSI combinó pruebas modales de impacto con experimentos de respuesta forzada en operación. Se recopilaron datos de aproximadamente 125 puntos en el acoplamiento fluido, bomba, estándar frontal y cimentación. Las pruebas modales de impacto identificaron frecuencias naturales y formas de modo durante operación normal de la planta, mientras que los datos de respuesta forzada produjeron la forma de deflexión operacional (ODS) del conjunto bomba-acoplamiento (ver Figura 1). La ODS revela la amplitud y fase de cada componente en una frecuencia dada, proporcionando clara visión sobre la fuente y severidad de la vibración. MSI también empleó varillas de montaje en eje para sondear frecuencias naturales torsionales dentro del tren de maquinaria.

Las pruebas identificaron 60 Hz como la frecuencia de vibración dominante, afectando principalmente el extremo de entrada del acoplamiento fluido y el estándar frontal, con un pico a 2,500 rpm (42 Hz). Notablemente, el eje de salida experimentó mayor vibración a 60 Hz que a 42 Hz. MSI concluyó que la vibración de 60 Hz provenía principalmente de una velocidad crítica torsional del sistema rotor que "sintonizaba" con 60 Hz, influenciada por el nivel de aceite del acoplamiento fluido. La rigidez torsional del acoplamiento controlaba la velocidad de salida, vinculando indirectamente la vibración con la velocidad del eje. Adicionalmente, se identificó una frecuencia natural estructural de los pedestales de rodamientos del acoplamiento fluido a ~64 Hz mediante ODS y pruebas modales. Las vibraciones combinadas rotor/estructurales degradaban severamente la cimentación bajo el acoplamiento, con la animación ODS mostrando las placas de apoyo separándose del concreto, amplificando la vibración del sistema (Figura 1).

Figura 1. Fotograma congelado de una animación de movimiento exagerado de la prueba modal "bump" durante operación de la bomba. Observe el movimiento relativo de la base del acoplamiento fluido y placas de apoyo respecto a la cimentación, que ya no están firmemente conectadas.

Como la planta debía mantenerse en línea, una reparación de cimentación a largo plazo no era factible de inmediato. Usando los hallazgos de MSI, la planta implementó una estrategia para evitar operar el acoplamiento fluido a 2,500 rpm, limitando así el desgaste rápido de rodamientos y el deterioro del estándar frontal. Remedios permanentes —incluyendo refuerzo de cimentación y modificaciones al acoplamiento y otros componentes del eje para desplazar la velocidad crítica torsional— se programaron para una futura parada.

Sobre los autores: William Marscher, Presidente y Director Técnico, y Eric Olson, Director de Marketing, Mechanical Solutions Inc. (MSI) — firma de consultoría e I+D en Whippany, N.J. Más información en www.mechsol.com o llame al 973‑326‑9920.