Mejorando la Protección en los Rodamientos de Turbinas de Vapor Pequeñas

Las fallas en la aplicación de lubricante y la contaminación son dos de las principales causas de fallas de rodamientos en pequeñas turbinas de vapor. Afortunadamente, pueden emplearse modernos sellos protectores para prevenir el paso de agua (vapor) y otros contaminantes ambientales al interior de los rodamientos. Estos sellos protectores incorporan los principios, ya sea de los sellos cara-a-cara cerrados magnéticamente, o de los menos costosos sellos de laberinto. Ambas opciones financieramente tienen sentido y por lo que estos sellos merecen ser considerados en instalaciones nuevas y existentes.

¿Qué Tan Mala es la Contaminación?

Al considerar los costos, no deben ignorarse los efectos dañinos de los contaminantes, aún en las muy pequeñas cantidades. Los rodamientos con tan solo 100 ppm de agua disuelta en el lubricante tendrán una vida de apenas el 40% de la que tendría el mismo rodamiento con 25 ppm de agua disuelta presente1. Los aceites nuevos no están completamente secos y con frecuencia contienen casi 50 ppm de agua disuelta. La mayoría de los principales fabricantes de rodamientos han publicado literatura sobre los efectos de la contaminación de los lubricantes2, y esas publicaciones pueden utilizarse como puntos de referencia al estimar la efectividad de los costos.

Figura 1. Factor a23 de ajuste de vida de rodamientos vs. relación de viscosidades v/v1 Ref. 2

Empleando ilustraciones, como la Figura 1, que entrelazan la relación entre la viscosidad de operación del lubricante y su viscosidad requerida (o mínima necesaria) v/v1 en el eje de las abscisas (eje de las x) contra el factor de ajuste de vida de un rodamiento representado en el eje de las ordenadas (eje de las y), es posible inferir la relevancia de la contaminación del lubricante con sólidos2. En la figura 1, la Región I aplica sólo a situaciones en las que se combinan la limpieza en lubricación con carga moderada en los rodamientos. Esta situación es bastante irreal para bombas de proceso y turbinas de vapor pequeñas.

La Región II en donde se ha alcanzado un alto grado de limpieza, lo que puede se puede lograr con los modernos sellos protectores de rodamientos (Figuras 2 a la 4). Finalmente, la Región III debe ser típica para ambientes de rodamientos que están expuestos a un ambiente industrial, tales como los rodamientos sin sellos protectores efectivos.

Utilizando la Figura 1 y asumiendo que v/v1= 0.5 (una viscosidad por debajo del nivel deseado), podríamos obtener un valor de a23=0.3 en la Región III, y a23= 1 en la Región II. En esencia, el empleo de sellos protectores efectivos mejoraría la vida del rodamiento en un factor de tres. Se seleccionaron los valores 0.5, 0.3 y 1 debido a que representan la parte media de cada región y por lo tanto sirven como ejemplo.

Esto presenta una poderosa evidencia analítica en apoyo a las tendencias de la industria encaminadas a la protección de los alojamientos de los rodamientos.

Figura 2. Sello de labio (parte superior) y Sello de Laberinto Moderno (parte inferior, y ampliado del lado derecho)4

Sellos de Labio vs. Sellos Rotatorios de Laberinto

Los motores eléctricos, transmisiones automotrices, bombas pequeñas y numerosas máquinas industriales están protegidas contra la pérdida de lubricante y contra la contaminación por sellos de labio3. Aunque los sellos de labio han dado servicio a la industria por más de un siglo, estos han sido empleados sólo en aplicaciones en donde los componentes elastoméricos reciben suficiente lubricación y las velocidades de la superficie del eje son moderadas. Aún en este caso, los sellos de labio están propensos al desgaste, y está aceptado universalmente que el desgaste por frotamiento incrementa conforme incrementa la tasa de velocidad.

Por lo tanto, los fabricantes-consumidores enfocados en confiabilidad raramente emplean sellos de labio en bombas grandes y en turbinas de vapor pequeñas. Esto también explica por qué los sellos protectores de rodamientos han sido empleados recientemente ya sea en forma de sellos de laberinto rotatorios (Figura 2, parte inferior y amplificada), o sellos magnéticos (Figura 3). Los sellos magnéticos incorporan una geometría de cara modificada para facilitar el “escurrimiento” de la niebla de aceite. Una delgada película de aceite líquido por lo tanto proporciona la separación entre la cara del sello estacionario (Elementos 3 y 9) y el rotatorio (Elemento 1) de la Figura 3.

Figura 3a y 3b. Dos tipos de sellos magnéticos de doble cara4. O-rings (2,4,6,10), candado elástico (11), aro rotativo (1), aros fijos (3,9), imanes estacionarios (8), soporte de magneto (7), cuerpo exterior (5)

Figura 4. Esta variante del sello de la figura 2 incorpora una considerable capacidad de movimiento axial y es utilizado en turbinas de vapor pequeñas

Para turbinas de vapor pequeñas, el sello de labio de estilo antiguo relativamente económico mostrado en la porción superior de la Figura 2, no representa el último grito de la tecnología. Desde 2003, los avanzados sellos de laberinto rotatorio, como los mostrados en las porciones inferior y derecha de la Figura 2, han sido exitosos. Esta configuración actualmente está utilizándose en miles de bombas y otras aplicaciones de uso general. Una variante (Figura 4) permite una considerable movimiento (flotación) axial. Incorpora materiales especiales de sellado y está diseñado especialmente para su uso en alojamientos de rodamientos de turbinas de vapor pequeñas.

Conclusiones

Como otras máquinas rotativas, las turbinas de vapor pequeñas requieren sellos protectores para los rodamientos. Mientras que los sellos de labio tienen uso en aplicaciones desechables y máquinas que, por razones no especificadas, deben ser desmanteladas frecuentemente, los ingenieros deben ver el escenario completo. Para los usuarios de turbinas que están enfocados en la confiabilidad, es importante prevenir el ingreso de contaminantes. Esto puede conseguirse con efectividad y a buen costo utilizando sellos, ya sean del tipo magnético o los avanzados sellos protectores de rodamientos (Figura 4).

Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.