El aislamiento mecánico y su importancia en los sistemas híbridos

La interconexión entre estos motores que son torsionalmente compensados y con baja incidencia acústica, y los motores alternativos de combustión, necesita de un adecuado diseño (mecánico- acústico) para garantizar la operación segura y no crear abruptas disrupciones en el confort.

De manera general, los buques han empleado motores de combustión conectados mecánicamente a una hélice para generar la potencia propulsiva necesaria en sus operaciones, pero la existencia actual de una conciencia medioambiental creciente por parte de la comunidad internacional, unas normativas que la amparan y tratan de desarrollarla, así como la existencia de tecnología eficiente permite que aparezcan los sistemas de propulsión híbridos.

Los sistemas híbridos a bordo de buques permiten combinar diferentes tecnologías para la propulsión. De manera general se combinan motores de combustión alternativos con máquinas eléctricas donde estas últimas presentan la posibilidad de operar en modo motor o generador. Asimismo, se incluyen en estos sistemas el uso baterías para acumular energía sobrante u obtenida desde tierra cuando el buque está atracado. Existen, adicionalmente, otros tipos de tecnologías híbridas como son la solar y eólica que se combinan también con las anteriores y que ofrecen cero emisiones.

De manera general, el objetivo fundamental de la propulsión híbrida es lograr mejores rendimientos de la tecnología basada en la combustión reduciendo así los niveles de emisión de contaminantes e incluso llegar a poder operar en condiciones de cero emisión en el caso de que el entorno así lo requiera: puertos dentro del entorno urbano, zonas medioambientalmente protegidas, etc. En este modo, se desconecta el motor de combustión de la operación y se opera con motores eléctricos alimentados exclusivamente por baterías. Esto requiere de sistemas adicionales, gestión de la potencia o PMS (Power Management System), gestión de las baterías o BMS (Battery Management System) además de la sincronización y control de operación integral de todo el sistema.

Asimismo, existe la posibilidad de que el buque sea exclusivamente eléctrico, suprimiendo la tecnología diésel, operando con baterías que se cargan desde tierra. Este es el modo de operación principal de transbordadores, que operando en zonas muy urbanas como una ría o estuario consiguen no emitir sustancias contaminantes en su operación y así no influir medioambientalmente en el entorno.

A nivel propulsivo, existen diferentes configuraciones dependiendo si las tecnologías se conectan entre sí de manera mecánica o eléctrica.

En el caso de que la conexión se ejecute de manera mecánica, la máquina eléctrica podrá estar en línea o serie con el motor de combustión o en paralelo. En este último caso se ejecuta a través de una toma de fuerza de un reductor. En ambos casos de conexión mecánica la máquina eléctrica puede operar como motor o generador.

En el caso de que el motor de combustión no se conecte mecánicamente a la máquina eléctrica, estaremos hablando de conexión eléctrica. La generación eléctrica se realiza mediante grupos electrógenos y mediante conexión eléctrica se alimenta un motor eléctrico destinado a la propulsión.

En la siguiente figura 1, se muestran ejemplos de las diferentes disposiciones de conexión para buques más pequeños.

Existen muchos tipos de acoplamiento entre máquinas, pero cuando de lo que se trata es de acoplar una máquina que presenta pares muy fluctuantes a máquinas cuyo par es mucho más continuo, el acoplamiento torsionalmente elástico se convierte en un elemento de seguridad que debe ser correctamente diseñado para cumplir esta función.

Los pares fluctuantes de los motores de combustión se transmitirán a todos los ejes interconectados sometiendo a fatiga a aquellos ejes cuyo dimensionamiento no ha considerado una carga fluctuante de tal magnitud en su diseño. Este par fluctuante será periódico y, por lo tanto, puede ser amplificado debido a fenómenos de resonancia derivados de la interconexión, lo que complicaría aún más la problemática.

Por otro lado, es importante tomar en cuenta que las máquinas eléctricas, en concreto los generadores están diseñados para producir tensiones senoidales de salida. Tras la conexión a máquinas con pares fluctuantes con elevado contenido armónico como son los motores de combustión, esta fluctuación aparecerá en su rotor como vibración torsional que será replicada a nivel eléctrico en la red pudiendo producir problemas en los equipos a los que este generador alimenta.

Existen también problemas de inestabilidad en el acoplamiento de máquinas. Un motor eléctrico presenta zonas de inestabilidad en su arranque, esto es, ante una mayor demanda de par la velocidad se reduce y en esa condición, el motor dispone todavía de menos par. Este fenómeno existe también en soplantes, ante una mayor presión de descarga se reduce el caudal y la soplante va a una condición de menor presión de descarga.

En este entorno, el acoplamiento torsionalmente elástico adecuadamente diseñado, producirá los siguientes beneficios:

• Atenuará los pares oscilantes proveniente de los motores de combustión hacia el resto del sistema interconectado: máquinas eléctricas, reductores, ejes de hélices, etc.

• Permitirá conectar máquinas sin que su diseño mecánico deba ser estudiado previamente o tenga que ser alterado para incrementar su resistencia a la fatiga.

• Asegura que los diseños de máquinas (frecuencias naturales o propias) permanecen inalterados tras la conexión.

• Evitará problemas de electromagnéticos.

• Introducirá amortiguamiento para estabilizar sistemas.

El acoplamiento torsionalmente elástico, tiene un beneficio adicional a lo anterior y es su capacidad de amortiguamiento. Una de las claves para resolver todos estos problemas está en la elevada elasticidad del material del acoplamiento con relación al material con el que se conforman los ejes.

Aunque nos hemos centrado en el acoplamiento de ejes, las carcasas de las máquinas también están acopladas y pueden presentar los mismos problemas.

Unir un motor alternativo con un motor eléctrico para una propulsión eléctrica en línea puede inducir elevados niveles en este último. Este motor eléctrico normalmente no está diseñado para soportar una solicitación tan alternativa. Además, en su interior, existen elementos que no poseen integridad estructural como las cabezas de bobina de estator ya que son de cobre y no poseen ningún requerimiento estructural, los aislamientos eléctricos, etc. En otras ocasiones, aunque las máquinas eléctricas no están en contacto directo, pero si poseen una bancada común, estamos en el caso de grupos auxiliares donde los niveles vibratorios del alternador provienen exclusivamente el motor alternativo.

De igual manera que en el caso de ejes, las suspensiones elásticas son el método adecuado para aislar sistemas mecánicos que necesitan trabajar unidos. Esta es una manera muy efectiva de reducir vibraciones, aumentar la vida de los componentes, no afectar a los diseños, etc.

Por otro lado, en la operación de buques híbridos, existen dos condiciones de operación muy diferenciadas. La operación con motores alternativos y la operación con máquinas eléctricas. Los motores alternativos introducen al ser acoplados a la estructura del buque un nivel ruido estructural muy significativo que se propaga hasta la habilitación. Las máquinas eléctricas, por el contrario, generan un menor nivel. Los cambios entre una operación y otra podrán generar una reducción significativa de confort.

• A Handbook on Torsional Vibration BICERA – E.J.NESTORIDES

• Fundamentals of Structural Dynamics Zhihui Zhou Ying Wen Chenzhi