Tratamiento térmico de motores navales diesel tubinas

Ingeniería Naval. Calentamiento térmico. Temple y revenido. Recocido. Normalización. Cementado. Desgaste de los materiales

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XLII

TRABAJO MONOGRÁFICO

TRATAMIENTO TÉRMICO; MOTORES NAVALES DIESEL, TURBINAS

En Navegación

- 2011 -

TRATAMIENTO TÉRMICO PARA MOTORES NAVALES DIESEL TURBINAS

Clasificación sugerida: Publica

Sumario

El objetivo fundamental de esta monografía fue la investigación y desarrollo de los métodos térmicos y termoquímicos a los que se someten los metales ferrosos, obteniendo de tal manera aceros más resistentes duros y dúctiles para que posteriormente por medio de mecanizados o de torneados se logren obtener las distintas piezas de un motor diesel o turbina naval, para ello se desarrollará a continuación la conformación básica de los mismo discriminando sus componentes básicos y funcionamientos. Se abordara también la resistencia de los materiales, piezas fundamentales de un motor o turbina naval, sometidos a distinta clases de esfuerzos y tensiones, como así también métodos para conservarlas operativas a las distintas piezas ya sean móviles a no, mediante la correcta conservación atención y cuidado de las mismas.

Se arribará a la conclusión que es una parte fundamental el tratamiento térmico en los materiales ferrosos para la fabricación de las piezas de los motores diesel y turbinas navales, pero también es parte importante el cuidado y conservación de los materiales mediante el correcto uso, su lubricación y atención en el empleo, ambientes en los que se utilizan y exigencias a los que se los somete. Sabiendo las características básicas de un motor o turbina y sus medios para el cuidado y mantenimiento se puede lograr tener una maquinaria más duradera fiable y de confianza.


Prefacio

Me dirijo a usted estimado lector para aclarar las razones que motivaron mi trabajo de investigación, primeramente y en su mayoría la devoción hacia los motores y maquinarias modernas fue el punta pie inicial seguido por deseos de conocimiento que ahogaron mi mente hacia esta maravillosa rama de la tecnología moderna, que se emplea dentro del ambiente en el que se desenvuelven nuestro servicio. Además de que es de utilidad saber el empleo conservación y mantenimiento de las maquinarias empleadas dentro de la A.R.A.

Los objetivos impuestos en este trabajo fue la investigación de los procesos de tratamiento térmico en los motores diesel y turbinas lo cual es importante resaltar dado que es de gran importancia para las plantas propulsoras dado de que es necesario tener materiales resistentes que soporten las grandes exigencias a las cuales están expuesto.

Índice

ÍNDICE GENERAL

INTRODUCCIÓN……………………………………… …………………… Página 1

CAPÍTULO I: Tratamiento térmico….……………………....……………..... Página 2

Fases del calentamiento térmico…………………………….………................ Página 3

Tratamientos térmicos del acero…………………………….………………… Página 4

Temple y Revenido…………………………………………………………… Página 4

Recocido……………………………………………………………………… Página 5

Normalización………………………………………………………………… Página 6

Cementado…………………………………………………………………… Página 6

CAPITULO II: Motores Diesel Navales, componentes básicos………………. Página 8

Piezas fijas principales………………………………………………………... Página 8

Piezas móviles principales………………………………………….…………. Página 10

CAPITULO III: Turbinas Navales………………………………..................... Página 14

Partes principales de una turbina a gas…………………………..…………… Página 15

CAPITULO IV: Desgaste de los materiales……………………..……………. Página 18

Tipos de desgaste: desgaste `por fatiga…………………………..…………… Página 18

Desgaste abrasivo……………………………………………………………... Página 19

Desgaste por cavitación………………………………………….…………... Página 19

Desgaste adhesivo……………………………………………….……………. Página 19

Desgaste por erosión………………………………………….....……………. Página 20

Desgaste por fretting……………………………………………..…………… Página 21

CONCLUSIÓN……………………………………………………………… Página 22

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………….…………… Página 23

Introducción

El tratamiento térmico en lo aceros es uno de los procesos de mayor importancia ya sea para piezas de motores como para artilugios de la vida cotidiana, el mismo consiste en la modificación de las características fisicoquímicas del material ferroso por medio del calentamiento y enfriamiento del mismo, acompañado de procedimientos especiales como la nitruración, sulfinización, cianuración, posteriormente detallados, los cuales, ayudan a obtener de un material, los requerimientos necesarios para su posterior utilidad.

Con el tratamiento térmico adecuado se puede lograr obtener de metales que poseen diversas características físicas uno homogéneo que pueda ser mecanizado y posteriormente empleado para formar las piezas de los motores.

Se ha notado la necesidad de poseer piezas metálicas que sean resistentes a distinto tipos de desgaste, como así también al uso por tiempos prolongados, esto determina que el acero con el cual se producen los mecanismos de las maquinarias deben cumplir con una serie de requisitos muy extensa, mayormente, estos se adquieren en la etapa del tratamiento térmico, dado que ahí el metal logra las características físicas necesarias para su futuro empleo.

Los motores diesel y turbinas navales están constituidos por una serie de piezas existenciales las cuales están expuestas a temperaturas extremas, soportan grandes esfuerzos, son sometidas a fuerzas de torque, rotación o balanceo que ponen en juego las características de construcción y maquinado pero en principal el tratamiento térmico al cual fue sometido el metal antes de ser construida la pieza. En el desarrollo se verán cuales son las piezas que sufren mayores desgastes, esto pondrá de manifiesto los requerimientos mínimos que deben tener las mismas para su correcto funcionamiento, además se verán los tipos de desgaste a los que están expuestas dichas piezas, para comprender mejor la necesidad de dicho tratamiento.

Dichas piezas componentes, sufren desgastes y fatigas, de ahí que se necesita una pieza que tenga la dureza necesaria para soportar el esfuerzo, se resistente al desgaste requiera el mínimo mantenimiento y tenga una vida útil prolongada. Para ello es necesario determinar cuáles son los componentes que tienen mayor exigencia ya sea en las turbinas como en los motores diesel navales y en función a ellos, determinar las características constructivas y de diseño de la maquinaria propulsora de los buques.

En pos de este objetivo a continuación se detallaran los componentes de los motores diesel navales y turbinas los cuales están sometidos a una mayor exigencia ya sea térmica, de resistencia agotamiento, deterioro de sus componente, o fricción.

CAPITULO I

TRATAMIENTO TÉRMICO

Historia del tratamiento térmico

No se conoce una fecha exacta en que se descubrió la técnica de fundir metal de hierro para producir un metal más susceptible de ser utilizado. Los primeros útiles de hierro datan del año 3500 a.C., aunque se sabe que antes ya se empleaba este material para hacer adornos de hierro. El mismo material fue usado por el pueblo hebreo, ya en la Biblia (Génesis IV, 22) se menciona: "Sil-là, segunda mujer de Lamech, engendrará también a Tubalcaín que fue artífice de trabajar de martillo toda obra de cobre y hierro"(1). Tubalcaín descendiente de Caín, sería el octavo hombre después de Adán. Los comentaristas bíblicos le atribuyen una antigüedad de 3150 a 3200 años antes de Cristo.

Todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C. se clasifican en la actualidad como hierro forjado. Alrededor del año 3000 a.C. para obtener estas aleaciones, se calentaba en un horno una masa de hierro en carbón vegetal encendido. Mediante este tratamiento se reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro llena de escoria forma por impurezas metálicas cenizas de carbón vegetal. Esta masa se retiraba del horno mientras permanecía incandescente y se la golpeaba con pesados martillos para eliminar la escoria y darle alguna determinada forma. El hierro que se producía en estas condiciones solía tener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas.

Los artesanos del hierro acabaron por aprender a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en un recipiente de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero. Después del siglo XIV se aumento el tamaño de los hornos empleados para fundir, en estos hornos, el mineral de hierro que se encontraba en la parte superior del fluido se convertía en mineral de hierro metálico y a continuación absorbía mas carbono debido a los gases que lo atravesaban. Como resultado deba arrabio, un metal que funde a temperatura menor que el hierro y el acero. Posteriormente se refinaba el arrabio para obtener acero. En la producción moderna de acero se emplean altos hornos además de métodos de refinamiento que son modelos perfeccionados de los que se usaban antiguamente.

Tratamiento térmico

Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento a temperaturas y en condiciones determinadas a que se someten los aceros para conseguir las propiedades y características más adecuadas a su empleo o transformación. No modifican la composición química pero sí otros factores tales como los constituyentes estructurales y como consecuencia las propiedades mecánicas.(2)

El acero es una aleación de hierro y carbono que oscila entre 0,03 y 2 %, sus propiedades físicas y su comportamiento dependen del porcentaje de carbono que se utiliza y su distribución. Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros eran una mezcla de tres sustancias principales, ferrita, perlita y cementita; la primera sustancia es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos de disolución. La cementita es un compuesto de hierro con 7 % de carbono aproximadamente, lo cual proporciona su dureza aunque también lo hace sumamente quebradizo, la perlita es juna mezcla de ferrita y cementita (sus propiedades físicas son intermedias entre los dos componentes). El acero que no ha sido tratado térmicamente obtiene sus propiedades físicas de la mezcla de los tres componentes anteriormente nombrados, los cuales proporcionan al mismo su dureza, fragilidad o ductilidad entre las características que más resaltan dentro de la composición del acero.

El hierro tiene una temperatura de fusión de 1539 º C y en estado sólido presenta el fenómeno del polimorfismo (capacidad de algunos materiales de presentar distintas estructuras cristalinas, con una única composición química). En la mayoría de los casos el calentamiento del acero para realizar correctamente el tratamiento térmico se hace a unos 30 - 50 º C por encima de la temperatura de cambio alotrópico (pose diferentes estructuras moleculares con el mismo estado físico). Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de su estructura cristalina, si bien el tratamiento térmico modifica esta última, no altera la composición química del material, otorgando de esa forma características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamiento y enfriamiento sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.

Fases del calentamiento térmico

El calentamiento térmico consta de tres fases principales, las cuales apuntan a una mejor calidad del material, la primera fase depende de la elevación de la temperatura de la pieza, la cual debe ser uniforme, por lo tanto se calienta la misma aumentando su temperatura muy lentamente o se va metiendo un tiempo a temperaturas intermedias, antes del paso por los puntos críticos (calentamiento escalonado).

La segunda fase se le atribuye a la permanencia a la temperatura fijada, su fin es la completa transformación del constituyente estructural de partida. Largos mantenimientos y sobre todo a altas temperaturas son muy peligrosas, ya que el grano (después de la solidificación del material, los cristales del mismo no adquieren formas geométricamente correctas, tales cristales se denominan “grano”) austentico crece rápidamente dejando el acero con estructuras finales groseras y frágiles, esta fase se ocupa principalmente de homogenizar el acero y llevar toda su estructura cristalina a la mayor resistencia estructural.

La tercer etapa y una de las más importantes es el enfriamiento del metal hasta llevarlo a temperatura ambiente, este tiene que ser rigurosamente controlado en función del tipo de tratamiento que se realice.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO.

El tratamiento térmico del acero consta de etapas en las cuales, el mismo, sufre distintos cambios, para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está siendo creado. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, que a continuación se detallan:

TEMPLE Y REVENIDO

Temple y revenido: se utilizan ampliamente para mejorar las propiedades de resistencia de los aceros e importarles durezas y altas propiedades cortantes a los aceros de herramientas.

El temple se comprende en la fijación de las estructuras, a temperatura normal, que son propias en temperaturas altas, por eso las estructuras templadas son inestables.

Para obtener un material templado correctamente, el tiempo de enfriado debe ser rápido pero solo en el intervalo de temperatura que va desde los 650º C a 400º C, que es donde la austenita (material que compone el grano del acero) es menos estable, y es donde se forma la mezcla de ferrita y cementita, por debajo de los 400º C comienza la zona de estabilidad de la austentita, lo cual permite que el enfriamiento pueda volver a ser lento nuevamente, los fluidos más usados para enfriar el metal son, agua, aceite, sales fundidas, soluciones salinas, aire para ciertos aceros aleados.

Después del temple se efectúa el revenido, cuyo fin es aumentar la plasticidad (disminución de la fragilidad) del acero con una disminución mínima de la resistencia o la dureza adquiridas durante el temple.

La temperatura de revenido es escogida para cada pieza en particular de acuerdo a su finalidad. Debido a lo anteriormente nombrado, se distinguen tres tipos de revenido, a bajas, medias y altas temperaturas;

Revenido a bajas temperaturas (entre 180 º C y 220º C) se reducen las tensiones internas pero se conserva la estructura interna del material posterior al templado. Se usa este tipo de revenido en herramientas de corte, en las que se deben conservar la dureza y resistencia al desgaste.

Revenido a medias temperaturas (entre 300º C y 400º C): a estas temperaturas la martensita (solución solida sobresaturada de carbono, que se forma después del templado del acero), se transforma en lo que se conoce como troostita (agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austentita), este material se utiliza en los muelles o matrices.

Revenido a altas temperaturas (entre 500º C y 550º C) a estas temperaturas se convierte la troostita en sorbita (agregado fino de cementita y ferrita, a diferencia de la troostita posee mayor resistencia a la tracción y amplia su alargamiento de un 10% al 20%), este material se aplica fundamentalmente en aceros de construcción.

En caso de herramientas fabricadas con aceros rápidos, se mejoran dando un doble revenido, con el que se eliminan las tensiones residuales y se evita la fragilidad excesiva.

Recocido

El objetivo del recocido es ablandar el metal para su posterior mecanizado, además se utiliza para regenerar el grano o eliminar tensiones internas. Se debe tener en cuenta que los recocidos no proporcionan las características más adecuadas para la utilización del acero y por ende el material sufre un tratamiento posterior con vistas de obtener las características óptimas del mismo. Cuando esto sucede el recocido se conoce también como “tratamiento térmico preliminar” y el tratamiento final como “tratamiento térmico de calidad”. Generalmente el recocido suele ser de dos clases;

Recocido de primera clase: se aplica para eliminar tensiones residuales y cambiar la forma de la cementita a cementita esferoidal, en los aceros de alto nivel de carbono para poder trabajarlos mejor. Por lo común mientras mayor sea la temperatura a la cual se expone el material, menor debe ser el tiempo de permanencia del mismo a dicha temperatura, aunque de todos modos para la esferoidización se requiere una permanencia larga.

Recocido de segunda clase: los objetivos a alcanzar son:

  • la obtención de una estructura equilibrada y más blanda.

  • la disminución del grano, dicha característica en aceros de medio y bajo carbón se alcanza efectuando un calentamiento a unos 20º C a 50º C por encima de la temperatura de transformación.

  • Modificación de las estructuras en piezas fundidas: las estructuras fundidas, suelen ser de grano grueso y la fase sobrante.

  • Eliminación de las segregaciones dendríticas: el recocido para eliminar la segregación de dendríticas (cuerpos ramificados) que surgen durante la solidificación de los lingotes, se denomina recocido de homogenización.

NORMALIZACIÓN

El normalizado es un tratamiento térmico del recocido que consiste en calentar la pieza a normalizar por encima de la temperatura perlita-austerita se mantiene estas temperaturas a un periodo de una hora y después se enfría al aire. Se realiza calentando el acero entre 20º C y 40º C superior a la temperatura crítica y una vez austentizado se deja enfriar al aire tranquilo. Con este tratamiento se consigue afinar y homogenizar la estructura. Este tratamiento es típico de los aceros al carbón de construcción de 0,15% al 0,60% de carbón. Sirve para afinar la estructura y eliminar las tensiones que suelen aparecer en la solidificación forjada en otros. Con esto se consigue un acero más duro y resistente al obtenido con un enfriamiento más lento en un horno después de un recocido. Este tratamiento se utiliza para piezas fundidas, forjadas o mecanizadas.

La velocidad de enfriamiento del normalizado es más rápida que en el recocido. Es un tratamiento típico de aceros al carbono de construcción de 0,15 % a 0,40% de carbono y las temperaturas normales del normalizado varían según su porcentaje de carbono, que va desde 840º C a 035º C.

Cementado

Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero conservando en su interior un núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros, en ciertos casos poseen bajos los niveles de carbono, en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad aumentando de esa manera su endurecimiento. El carbono se agrega al calentar el acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más comunes son, por empaquetado, baño liquido y gas.

Cementado por empaquetado: este procedimiento consiste en meter el material de acero con bajo contenido carbónico en una caja cerrada con material carbonaceo y calentarlo hasta 927º C de 4 a 6 horas. En este tiempo el carbono que se encuentra en la caja con carbono de mayor profundidad será la capa dura. Una vez caliente la pieza a endurecer a la temperatura adecuada se enfría rápidamente en agua o salmuera. Posterior al enfriamiento se forma una capa en la cual el material posee mayor dureza, capa más utilizada tiene un espesor de 0,38 mm. sin embargo se pueden tener espesores de hasta 0,4 mm.

Cementado en baño líquido: en este proceso el acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro líquido. También se puede utilizar cianuro de potasio pero emite vapores nocivos. Se mantiene a temperatura de 845º C durante 15 minutos a 1 hora, a mayor tiempo de exposición del acero a dicha temperatura determinara la profundidad de penetración del químico usado. A esta temperatura el acero absorberá el carbono y el nitrógeno del cianuro. Después se debe enfriar con rapidez el acero en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran capas de 0,75 mm. de espesor.

Cementado con gas: en este procedimiento se utilizan gases carburizantes para la cementación de acero con bajo contenido carbónico. Se coloca la pieza en un tambor al que se le introduce gas par carburizar, como derivados de los hidrocarburos o gas natural. El procedimiento consiste en mantener al horno, el gas y la pieza entre 900º C y 927º C. después se un tiempo predeterminado se corta el gas carburizante y se deja enfriar el horno. Luego se saca la pieza y se recalienta a 760º C y se enfría con rapidez en agua o salmuera. Con este procedimiento se logra que las piezas cuya capa dura tenga un espesor de hasta 7 mm, pero por lo regular no excede de los 0,7 mm.

CAPITULO II

MOTORES DIESEL NAVALES COMPONENTES BÁSICOS

MOTORES DIESEL NAVALES

“En 1897, el ingeniero alemán Rudolf Diesel (1858-1913), presentó su invento al mundo científico en la Asamblea General de Ingenieros Alemanes celebrada en la ciudad de Kassel. Un motor con encendido por compresión” (3). En comparación con el ya inventado motor a explosión Otto, este motor tiene como ventaja su bajo consumo, funciona con un combustible relativamente barato es posible alcanzar potencias superiores. Tomando como puntapié inicial el motor ideado por Rudolf y con su relativo menor consumo se idearon maquinarias de mayor tamaño capaces de propulsar grandes creaciones del hombre, como pueden ser embarcaciones o trenes, entre los más importantes.

El motor diesel es una maquina propulsora naval utilizada por la gran mayoría de los medios, debido a su gran rendimiento y relativo poco consumo en comparación con las demás plantas propulsoras además de tener un simple funcionamiento y mantenimiento.

En las marinas de guerra donde el motor alternativo genera más ruido y vibraciones que las turbinas a gas, no era aceptado en ciertos tipos de buques, como por ejemplo aquellos dedicados a la guerra antisubmarina, ahora disponen de montajes anti vibratorios para reducir el ruido generado por la planta propulsora, lo que la hace más fiable en dicho aspecto.

Vale resaltar que no solo los motores alternativos son utilizados por las marinas de guerra, en buques mercantes la disposición usual es que el motor vaya directamente acoplado al eje y en casos donde sea aconsejable se pueda instalar uno o varios motores acoplados al eje propulsor mediante el correspondiente engranaje. En buques de guerra no de combate se utiliza ya profusamente el motor diesel y en buques de línea la forma más usual de encontrarlo a bordo es formando parte de las llamadas “Instalaciones Mixtas”.

PIEZAS FIJAS PRINCIPALES

Bancada: es la pieza destinada a soportar todos los mecanismos móviles del motor la cual aguanta todos los esfuerzos desarrollados durante el funcionamiento. La razón de su gran tamaño peso y forma son principalmente por razones de rigidez, para evitar todas deformaciones en la maquina, dada la discontinuidad de esfuerzos y la inercia producidas por las masas alternativos de los pistones, producen flexiones periódicas que deterioran la conservación de las piezas y produce vibraciones.

En la forma de construcción de la bancada, se divide en dos partes, la superior, posee bigas longitudinales que terminan por su parte baja en una brida cepillada a la que se aplicara el polín, y por su parte alta de igual manera una superficie cepillada donde se emperna el cárter. Formando una pieza con vigas longitudinales uno entre cada dos cilindros. Cada puente transversal suele estar formado por paredes de hierro fundido, separadas lo suficiente para dar al cojinete de bancada la requerida longitud.

La parte inferior de la bancada se suele ser fabricada en una sola pieza, con una estructura resistente, formando un pozo donde se recoge el aceite de engrase. Esta pieza es de fundición y se realiza en un solo segmento. Modernamente se prescinde se la bandeja colectora de aceite y se emplean bancadas abiertas por debajo

Carter: actualmente la lubricación del motor se hace de forma forzada lo cual obliga al uso de un cárter cerrado, estanco a las salpicaduras de aceite y con él se consigue además, proteger las articulaciones y superficies de trabajo contra la adherencia de partículas. El cárter cierra al bloque por la parte del cigüeñal, tradicionalmente su función es además de cerrar el bloque y aislarlo del exterior cumple normalmente con la importantísima misión de albergar el aceite de lubricación del motor.

En ciertos diseños, con objeto de aumentar la rigidez del motor, evitando vibraciones y a la vez reducir el peso del mismo, la fabricación del cárter se realiza con aleaciones de aluminio o magnesio. En tal caso los apoyos del cigüeñal van integrados en él.

Cilindros: en un sentido amplio es recinto por donde se desplaza un pistón. Es allí donde se realiza la explosión del combustible, el cual es el origen de la fuerza mecánica del motor que se transforma luego en movimiento del vehículo.

El cilindro es una pieza hecha con metal fuerte porque debe soportar a lo largo de su vida útil un trabajo a alta temperatura con explosiones constante de combustible, lo que lo somete a un trabajo excesivo bajo condiciones extremas. Una agrupación de cilindros en un motor constituye el núcleo del mismo, conocido como bloque del motor.

Camisa del cilindro: la camisa de los cilindros se trata de fabricar de la forma más sencilla para simplificar su maquinado y sobre todo su fundición. Suele ser un tubo de hierro fundido torneado interiormente cilíndrico y exteriormente con una ligera conicidad.

La elevada temperatura a la que trabaja y la muy diferente cantidad de calor que la atraviesa por la región alta de la compresión que por la parte baja, lo cual hace que la pieza sea de muy difícil fabricación por los requerimientos que necesita.

En algunos motores el cilindro es constituido por una "camisa" que nada más es que un tubo cilíndrico colocado en el bloque del motor y que posibilita la circulación de agua en su vuelta, así como una fácil sustitución en caso de desgaste. Las medidas internas de la camisa del cilindro vienen dadas normalmente por el fabricante, pero pueden ser rectificadas en caso de gripaje, siempre que el material utilizado para su fabricación no sea Nikasil.

La energía mecánica generada en la camisa puede ser utilizada para el movimiento de la hélice de un barco o también para generar energía eléctrica para el caso de motores generadores, tanto en instalaciones fijas para suministro de la misma como en los barcos tanto para propulsión eléctrica como para suministro de energía eléctrica en el mismo

Tapa de cilindros: en su construcción se emplea de hierro fundido de grano muy fino y calidad especial análoga a la camisa del cilindro, cuya resistencia a las elevadas temperaturas es tan alta como el bronce, también suele emplearse acero fundido aunque se considera preferible por su rendimiento el acero.

La fabricación de una tapa de cilindro resulta en bastante complicado dado que es sumamente difícil disponer en una pieza tan reducida las tubuladuras destinadas a las válvulas de aspiración, de escape, de combustible de arranque y de seguridad, las cuales deben ser lo más grande posibles pero sin estorbar una refrigeración eficiente por todas las paredes que forman aquellas tubuladuras.

PIEZAS MÓVILES PRINCIPALES

Pistón: es un embolo que se introduce dentro del cilindro el cual se ajusta al mismo por medio de aros flexibles que se encuentran en parte superior del mismo. Efectúa un movimiento alternativo de arriba hacia abajo, obligando al fluido que se encuentra dentro del cilindro a modificar su presión y su volumen o transformando en movimiento el cambio de presión mediante la articulación de biela cigüeñal, de ahí deriva la importancia de tener la cámara de combustión estanca no solo por la mayor presión de trabajo, si no por la temperatura de las piezas que forman la misma, igualmente que si entre los aros del pistón posee fugas de gases, los cuales no solo influyen en la compresión y en el rendimiento térmico del motor sino también producen un efecto mecánico sumamente perjudicial para la camisa del pistón. Como así cumple el requisito de separar en forma estanca dos cámara, además debe cumplir otras exigencias, como ser se forma y dimensiones han de ser tales que permitan una buena propagación de los gases de elevada temperatura que se producen en la cámara de combustión. Esta transmisión de calor debe efectuarse de tal manera que no genere grandes tensiones moleculares como consecuencia de las diferentes temperaturas y presiones elevadas. Debido a esto para su fabricación se escogen aleaciones que tengan un peso específico bajo para disminuir la energía cinética que se genera en los desplazamientos.

Los aros del pistón se fabrican de hierro fundido no muy duro ya que es preferible el desgaste de los aros y no de la camisa del cilindro.

Cruceta y patín: Son los elementos que transmiten la fuerza o el movimiento desde la biela al punto de acción, o viceversa; reciben la fuerza desde el elemento de acción y la transmiten a la biela.
Constan de tres partes: la cruceta propiamente dicha, el patín y el gorrón.

El cuerpo de la cruceta se efectúa por moldeo y forja de acero o de aleaciones ligeras cuando las velocidades de trabajo son elevadas para evitar los efectos de la inercia, y en él se fijan los patines que deslizan dentro de la camisa, con orificios de lubricación.

El gorrón se monta a presión o por asiento cónico cuando la biela es de cabeza cerrada.
Los patines se fabrican en fundición gris, el mismo muy resistente al desgaste, y su sección se diseña para lograr el efecto "cuña" de lubricación.

En los motores de combustión interna, la cruceta está sustituida por un émbolo, que recibe la fuerza de la explosión que efectúa un gas inflamable por chispa o compresión y la transmite a la biela.

Por este motivo, los émbolos deben ajustar perfectamente con la camisa con el fin de no provocar pérdidas de presión en la combustión y este ajuste no se efectúa directamente entre el émbolo y el cilindro, sino que se logra interponiendo determinados elementos.
Dependiendo de la situación de los elementos de cierre, se pueden considerar dos tipos: obturación directa e indirecta.

En la obturación directa, el elemento de cierre está situado en el cilindro, y se emplea cuando el volumen de la cámara de compresión es independiente de la potencia a desarrollar.
En la obturación indirecta, el elemento de estanqueidad se sitúa en el émbolo y se emplea cuando el volumen de la cámara de compresión debe ser lo menor posible con el fin de lograr el mayor rendimiento en la explosión.

Biela: consiste en una barra rígida diseñada para transmitir un movimiento articulado entre el pistón y el cigüeñal en el caso de un motor de combustión interna la finalidad de la misma es convertir un movimiento lineal alternativo en uno giratorio continuo y viceversa, este movimiento expone a la pieza a un presión superficial de 90 hasta 110 Kg/cm².

El material del que están hechas es de una aleación de acero, titanio o aluminio. El cuerpo de la barra se suele hacer de acero forjado que tenga una resistencia de 45 a 52 Kg/mm², un límite de elasticidad de 25 Kg/mm² y un alargamiento de 25 por 100 medido en la longitud de cinco veces el diámetro de la probeta.

La más grave avería que ocurre con esta pieza es la ruptura de los dos pernos de cabeza de barra (los cuales hace el movimiento articulado entre el pistón y la biela). Si bien la posibilidad de esta avería es bastante remota se recomienda prestar atención al cuidado y conservación de las piezas, esto recomiendo una inspección mensual y un reemplazo de los mismos cada 5 años.

Eje de cigüeñal: la disposición, diseño y forma del mismo depende de la cantidad de cilindros, ciclos de trabajo, orden de encendido, equilibrio de las masas, tamaño y peso de sus partes entre las características más importantes a tener en cuenta, lo cual hace que el diseño y fabricación de esta pieza sea sumamente difícil.

Un cigüeñal es un eje acodado con codos y contrapesos que aplicando el principio de biela, transforman el movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio y viceversa. El extremo de la biela que conecta con la muñequilla (cabeza de biela), la cual junto con la fuerza ejercida por el pistón en los otros extremos (pie de biela) genera el par motor instantáneo lo que hace rotar el eje del cigüeñal dando un movimiento circular uniforme proporcionando el torque necesario para la el movimiento del eje del motor propulsor. El cigüeñal va sujeto en los apoyos, siendo el eje que une los apoyos del motor.

Normalmente se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven sometidos y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante. Hay diferentes tipos de cigüeñales; Los hay que tienen un apoyo cada dos muñequillas y los hay con un apoyo entre cada muñequilla.

Volante de inercia: en los motores de cuatro tiempos, el cigüeñal gira solamente media vuelta por cada explosión que se produce en la cámara de combustión de cada pistón, es decir que un solo cilindro por cada dos vueltas de cigüeñal una carrera útil que aporta trabajo, por lo tanto mientras uno de los tiempos de explosión entrega energía útil los otros tres tiempos consumen energía, esta situación obliga a que parte de la energía que se produce sea necesario acumularla de alguna forma para mantener girando el cigüeñal durante los tres tiempos siguientes sin que pierda impulso. De esta función se encarga el volante de inercia, es una rueda metálica dentada situada al final del eje del cigüeñal, que absorbe y acumula parte de la energía cinética que se produce durante el tiempo de expansión y la devuelve después al cigüeñal para mantenerlo girando. El volante de inercia también contribuye al arranque del motor.

En maquinas propulsoras grandes el volante de inercia se construye en dos mitades, unidas según un diámetro, para evitar la fundición de una pieza tan grande y también para evitar el peligro de acoger en ella grandes tensiones internas por enfriamiento irregular del material, las cuales, incrementadas en el normal esfuerzo centrifugo pueden producir durante el funcionamiento una grave avería imposible de prever.

Casi exclusivamente en su fabricación se emplea el hierro fundido ordinario para la construcción del volante.

CAPITULO III

TURBINAS NAVALES

TURBINAS A GAS

“El ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en el año 150 a.C. Hero invento un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor aliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de manera radial en un solo sentido.

Alrededor del año 1500 Leonardo Da Vinci dibujo un esquema de un dispositivo que rotaba debido a efecto de los gases caliente que subían por una chimenea.” (4)

Stolze en 1872 diseño la primera turbina a gas, en su proyecto incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales en los años 1900.

La compañía General Electric comenzó su división de turbinas en 1903. Un ingeniero llamado Stamford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo supe cargador, este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizando para supe cargar. Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables.

En los años ´30, tanto británicos como alemanes diseñaron turbinas para la propulsión de aviones, los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar turbinas de gas para la propulsión de aviones a chorro y lograr utilizarlos en la 2ª guerra mundial.

Cuando hablamos de turbina de gas en su aplicación naval nos referimos siempre a turbinas marinas derivadas de las aeronáuticas que propulsan al los aviones a reacción, no solo porque la aplicación naval se ha beneficiado del alto grado de desarrollo y perfeccionamiento de las turbinas de avión, sino porque se trata de una maquina muy simple que permite obtener grandes potencias con tamaños y pesos muy pequeños.

La turbina de gas simple está compuesta por tres partes principales, un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las mismas operan en base al principio del ciclo Bryton, en el cual el fluido (en teoría un gas perfecto) sufre una compresión a entropía constante en un compresor, seguida de un calentamiento a temperatura elevada y presión constante en una cámara de combustión, para expansionarse luego isotrópicamente en una turbina hasta la presión de aspiración inicial del compresor. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se esa comprimiendo el aire. El otro tercio está disponible, por ejemplo, para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, entre otras utilidades.

Es posible que a una turbina para aprovechar la energía de los gases de escape se le coloque un regenerador, el mismo es un intercambiador de calor, cuya función es precalentar el aire a la entrada de la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones, en cambio las turbinas que trabajan con altas presiones pueden usar un interferidor de calor para enfriar el aire ante las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma.

Partes principales de una turbina a gas

Una turbina a gas se divide en los siguientes componentes principales, compresor, cámara de combustión, dividida en cámara interior y exterior, turbina de expansión, carcasa compuesta la cual posee tres secciones principales carcasa del compresor, carcasa de la cámara de combustión y carcasas de la turbina de expansión.

Además cuenta con una serie de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento como son, la caja de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, cojinetes, bancada, vibrador, entre tantos otros componentes útiles para su correcto funcionamiento.

A continuación se detallarán el funcionamiento los componentes de la turbina a gas:

  • Compresor: su funcionamiento consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para cada turbina, para luego introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es principalmente axial y necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de 1:30, comparada con la turbina de expansión.

El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos posibilidades, según la cantidad de ejes que posea.

Turbinas mono eje: el compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada por el generador y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a cargas máximas como si se trabajara a cargas bajas y por lo tanto producimos menos potencia.

Turbina multieje: en este caso como la velocidad de giro es independiente del generador, la velocidad de rotación del compresor puede regularse para una admisión adecuada de aire para cada momento.

  • Cámara de combustión: el diseño de las cámaras de combustión está enfocado para soportar temperaturas máximas, superiores a 1000º C, mediante recubrimiento de cerámicos pero a su vez evitar que el calor producido dañe otras partes de la turbina que no estén diseñadas para soportar tan altas temperaturas. Esta desarrollada mediante dos cámaras, cámara interior, se produce la mezcla de combustible, mediante los inyectores y el comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases, la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerara los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores, mientras que en la cámara exterior, se ocupa de recoger el comburente, aire proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada.

  • Turbina de expansión: está para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Suele estar compuesto por 4 o 5 etapas, las cuales tienen como fin generar una energía tal que alimente al compresor y la producción de energía eléctrica en el generador. Cada etapa está integrada por una corona de alabes con un adecuado diseño aerodinámico, que son encargados de hacer girar el rotor al que están unidos solidariamente. Además de estos, hay de cada etapa un conjunto de álabaes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misión es re direccionar el aire de salida de la cámara de combustión de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente.

Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altas temperaturas, además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda la superficie.

  • Carcasa: protege y aísla el interior de la turbina, la cual se divide en tres partes; carcasa del compresor, está compuesta por una única capa para soporte de los alabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de la turbina a gas. A continuación la segunda sección longitudinal, es la carcasa de la cámara de combustión con múltiples capas para la protección térmica, mecánica y distribución de aire para 3 fases en que se introduce aire en la combustión. La carcasa de la turbina de expansión es la tercer sección, la misma cuenta con 2 capas, una interna de sujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeración por el interior de los alabes. Debe también de proveer protección térmica frente al exterior.

Componentes secundarios:

  • Casa de filtros: se encarga del filtrado del aire de admisión que se introduce al compresor en las 2 primeras fases de filtrado grosero.

  • Cojinetes: Su función principal es soportar la línea de ejes, pueden ser radiales o axiales, según sujeten el desplazamiento axial o el provocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por un material anti fricción llamado Babbit, el cual a su vez se encuentra lubricado.

  • Sistema de lubricación: si misión es tanto refrigerar como mantener una película de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricación suele contar con una bomba mecánica unida al eje de rotación, una eléctrica y otra de emergencia. Entre sus sub sistemas principales se destacan los sistemas de filtros, el extractor de vahos inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel, presostatos, etc.

  • Recinto acústico: recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su función es aislarla de inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior el ruido. Debe contar con un sistema de lucha contra incendio y de ventilación.

  • Vibrador: el sistema consiste en un motor eléctrico o hidráulico, que hace girar lentamente la turbina cuando no está en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja, pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del motor. Si por alguna razón la turbina se detienes necesario que, antes de arrancar, esté girando varias horas con el sistema vibrador.

CAPITULO IV

DESGASTE DE LOS MATERIALES

El desgaste de los materiales junto con la corrosión y la fatiga son las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos.

El desgaste es definido como el daño superficial sufrido por los materiales después de estar expuesto a ciertas condiciones de trabajo, este fenómeno se manifiesta por lo general en la superficie de los mismos, llegando a afectar posteriormente las siguientes capas del material. Las consecuencias apreciadas cuando una pieza se desgasta son la disminución de las dimensiones y pérdida de la tolerancia entre las secuelas principales.

Los mecanismos de daño en los materiales se deben principalmente a deformación plástica formación y propagación de grietas, corrosión y/o desgaste.

TIPOS DE DESGASTE:

DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO

Este tipo de desgaste ocurre cuando las piezas son sometidas a elevados esfuerzos, los cuales provocan la aparición y propagación de grietas bajo la acción repetitiva de estos. En las piezas sometidas a deslizamientos (pistones de un motor), las capas superficiales sufren de agudos deformaciones como resultado de la acción simultánea de las tensiones de contacto y de las fuerzas de fricción. Los esfuerzos a los que están sometidos los materiales particularmente en las capas superficiales, promueven en la mayoría de los casos alteraciones en la estructura cristalina y en el tamaño del grano del material.

Con las nuevas tecnologías, se ha buscado en los materiales, que a través de modernos procesos de producción o de tratamiento térmico, presenten una combinación especial de su micro estructura y propiedades mecánicas, garantizando con esto, mayores niveles de tolerancia, un mejor acabado superficial y desvíos de forma lo cual con estas mejoras se produce además de obtener una pieza más resistente, una disminución en los niveles de ruido y se logra alcanzar a la vez un mejor rendimiento del motor.

En los motores es necesario un buen acabado superficial de la pieza como así también una buena lubricación de la misma que de lo contrario ocasionan posibles apariciones y propagaciones de grietas. Dado el caso de tener un rodamiento o ruedas dentadas en su punto de contacto sin un buen acabado superficial o lubricación ocasionarían un daño irreparable en dichas piezas.

DESGASTE ABRASIVO

El desgaste abrasivo es la perdida de la masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento radica en el grado de desgaste entre los cuerpos involucrados, ya sea por la naturaleza, tipo de material, composición química o por la configuración geométrica.

En la abrasión de los cuerpos, se distinguen dos formas en que sucede el desgaste, las mismas son a dos o tres cuerpos. La abrasión a dos cuerpos, es causado por dos cuerpos en contacto que tienen un movimiento relativo y poseen en su superficie rugosidades duras, mientras que el desgaste a tres cuerpos, es provocado por partículas duras sueltas entre las superficies de las piezas o por la presencia de partículas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar las superficies en contacto deslizantes que poseen movimiento relativo.

DESGASTE POR CAVITACIÓN

Es un tipo de desgaste que afecta únicamente a equipos hidráulicos o que poseen contacto con fluidos en movimiento. Principalmente este desgaste se ocasiona en las hélices de los buques, que si bien produce una degradación del material también genera una especie de silbido audible para los sonares.

El desgaste por cavitación se puede definir como aquel daño que ocurre en los materiales debido al crecimiento y colapso de pequeñas burbujas, que surgen debido a las variaciones de presión durante el flujo de un fluido. Los efectos que provoca el desgaste por cavitación van desde la pérdida de eficiencia hasta la inutilización completa del equipo. Este tipo de desgaste no puede preverse lo que genera que el mantenimiento del equipo sea más riguroso y exhaustivo, además se tiene dos maneras de lidiar con el problema de la cavitación, uno es el desarrollo de materiales más resistentes y otro, es mejoramiento en cuanto a diseños de los equipos hidráulicos evitando caídas de presión bruscas

DESGASTE ADHESIVO

El desgaste adhesivo ocurre cuando dos superficies que se encuentran en interacción, es decir cuando están en acercamiento entre los cuerpos, tal que no se presenta ningún tipo de impurezas, capaz de óxido o suciedades, se permite que el área de contacto se aumentada pudiéndose formar uniones adhesivas más resistente (soladuras), la dificultad radica cuando como resultado de la destrucción de los enlaces entre las superficies unidas, permitiendo que parte del material arrancado se transfiera a la superficie de la otra pieza. Así, la superficie que gana material aumenta su rugosidad superficial con el agravante de que cuando el movimiento continúe se genere desgaste abrasivo contra la otra superficie. La ruptura de la unión entre dos piezas suele suceder cuando la resistencia al corte de la interface sea menor que la resistencia de los dos materiales considerados. Por otra parte puede ocurrir que la región adherida tenga mayor resistencia al corte que alguno de los dos materiales o incluso que los dos, por lo tanto se puede presentar desgarre uno o en los dos materiales permitiendo que uno de ellos sea adherido a la otra superficie del otro material o que los dos pierdan la interface.

Esta ruptura se da por un exceso de esfuerzo o torsión en uno o los dos materiales, lo que produce la ruptura de la juntura. En piezas de maquinarias donde normalmente está involucrado el desgaste adhesivo son, los sistemas, biela-manivela, dados de dados de

extrusión-alambre, cola de milano-apoyo, engranajes, rodamiento-apoyo y herramientas de corte.

DESGASTE POR EROSIÓN

Este tipo de desgaste se presentan en la superficie de los cuerpos los cuales están sometidos al impacto de partículas, solidas, liquidas o gaseosas. Estas partículas pueden actuar solas o de manera combinada.

Los fluidos que causan el desgaste se encuentran en cualquier o, ya sea seco o húmedo, lo cual produce que actúe de una forma muy variada dependiendo la composición y conformación de la pieza, además de los componentes del fluido, velocidad y ángulo con que impactan con respecto al material, para erosión en ángulos a 90º, la energía de la partícula es consumida durante la deformación de la superficie y para ángulos menores, esa energía es utilizada en deformar y cortar el material de la superficie.

Dado el caso que el medio donde ocurre la erosión sea un ambiente húmedo, producirán dos fenómenos que afectan al material, la erosión y la corrosión, los cuales actúan de forma sinérgica, provocando una degradación más acelerada de dicha pieza.

El desgaste erosivo se aprecia en motores y turbinas, donde se introduce el combustible a gran presión y velocidad dentro del cilindro en caso de los motores diesel o en la cámara de combustión interna si fuese una turbina. La mezcla de aire y combustible impacta sobre el pistón o paredes de la cámara, produciendo dicho efecto desgastante, el mismo se contrarresta haciendo que la inyección de combustible tenga un cierto ángulo lo que además produce la obtención de una mezcla de aire combustible más homogénea, también de acuerdo al diseño los pistones son maquinados con diversas formas para atenuar dicho desgaste.

DESGASTE POR FRETTING

El desgaste por fretting ocurre entre dos superficies las cuales no poseen un movimiento tangencial entre ellas, sino que experimentan grupos de oscilaciones cíclicas del orden de 1 a 100 µm. cuando dichas oscilaciones aparecen en las superficies en contacto, ocurren pequeños deslizamientos en la dirección de movimiento relativo.

El desgaste por fretting puede conducir a la perdida de las uniones de contacto de los cuerpos incrementando las vibraciones y acelerando el proceso de desgaste. También se ha observado que en general las partículas de desgaste son mayormente óxidos, los cuales ocupan mayor volumen que el material que los origina, conducen a fallas de adhesión severa que producen el soldado de las superficies, en piezas diseñadas para trabajar con holgura, este problema se logra solucionar aumentando la holgura entre los materiales produciendo que las partículas de oxido desalojen dicha juntura.

El desgaste por fretting ocasiona en los materiales la aparición de grietas en la región afectada lo que ocasiona la reducción de la resistencia a la fatiga del material, en cado de componentes que experimenten esfuerzos cíclicos.

CONCLUSIÓN

BIBLIOGRAFÍA

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    REFERENCIAS

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    (2)Citado de Apraiz B; José. Tratamiento térmico de los aceros. 8va Edición editorial, Dossat, S.A. Año 2009. Páginas 108.

    (3)Citado de Pedro Miranda. Construcción y manejo de los motores diesel marinos y estacionarios. 2ª edición, editorial Gustagili S.A. P 45.

    (4)Citado de Van Wylen, Gordon J. Fundamentos de Termodinámica. Limusa-Wesley 4ª edición. México, 1972. P. 361-374

    FRAGATA A.R.A “LIBERTAD”

    Gambetta, Nicolás