Principios de funcionamiento
Mecanismo de transmisión de par
En un acoplamiento de fluido, el par se transmite hidrodinámicamente desde el eje de entrada al eje de salida sin contacto mecánico directo, dependiendo del impulso del fluido de trabajo, generalmente aceite o agua. El impulsor, conectado al eje de entrada, gira y acelera el fluido radialmente hacia afuera a través de la fuerza centrífuga mientras imparte un componente de velocidad circunferencial a través de sus paletas curvas. Esta acción convierte la energía mecánica de la entrada en energía cinética del fluido, creando un flujo de alta velocidad dirigido hacia el corredor.
Luego, el fluido acelerado ingresa al corredor, unido al eje de salida, donde golpea las palas curvas, transfiriendo su impulso tangencial y haciendo que el corredor gire. Esta transferencia de momento se adhiere a la conservación del momento angular, ya que la energía rotacional del fluido se intercambia entre el impulsor y el corredor en un circuito cerrado, generando un par igual en la salida en condiciones de estado estacionario menos las pérdidas por fricción. El principio de Bernoulli gobierna la relación presión-velocidad en este proceso, donde la presión dinámica de la energía cinética del fluido (principalmente tangencial) se convierte en presión estática y trabajo mecánico en el corredor. La ausencia de vínculos físicos aísla las vibraciones de torsión y los impactos desde la entrada a la salida, lo que mejora la durabilidad del sistema.[2][5][2]
El régimen de flujo en el impulsor está dominado por el bombeo centrífugo, donde el fluido se aspira axialmente hacia el ojo y se arroja hacia afuera a lo largo de las paletas, logrando altas velocidades radiales y de remolino en la salida. Por el contrario, el corredor opera como un difusor, donde la velocidad absoluta del fluido entrante, que comprende componentes radiales, tangenciales y axiales, se desacelera en relación con las palas del corredor, difundiendo su energía para producir torque. Cualitativamente, los triángulos de velocidad ilustran esto: en la salida del impulsor, el vector de velocidad absoluta muestra un ángulo de giro dominante alineado con la rotación, mientras que en la entrada del rodete, la velocidad relativa se alinea para minimizar las pérdidas por impacto, lo que permite una transferencia de impulso suave. El equilibrio de par garantiza que el par de entrada sea igual al par de salida más las pérdidas de viscosidad y turbulencia, manteniendo el equilibrio a través de la circulación continua del fluido.[19][5][2]
Deslizamiento y eficiencia
En un acoplamiento de fluido, el deslizamiento se refiere a la diferencia inherente entre la velocidad de rotación del impulsor de entrada (bomba) y el rodete de salida (turbina), expresada como porcentaje y calculada como s=np−ntnp×100%s = \frac{n_p - n_t}{n_p} \times 100%s=npnp−nt×100%, donde npn_pnp es la velocidad del impulsor y ntn_tnt es la velocidad del corredor.[20] Este deslizamiento surge porque no existe una conexión mecánica entre los componentes y la transmisión de par depende de la circulación de un fluido viscoso, lo que impide una sincronización perfecta.[5]
Varios factores influyen en la magnitud del deslizamiento en los acoplamientos hidráulicos. El nivel de llenado de líquido juega un papel clave: un llenado más alto aumenta el par de arranque y al mismo tiempo reduce el deslizamiento operativo, mientras que un llenado más bajo disminuye el par y aumenta el deslizamiento.[5] La viscosidad y densidad del fluido también afectan el rendimiento; una mayor viscosidad conduce a un comportamiento de transmisión más desfavorable y a un mayor deslizamiento debido a una mayor fricción interna, mientras que una mayor densidad mejora la capacidad de torsión y puede minimizar el deslizamiento. Además, la relación de velocidad entre la entrada y la salida influye en el deslizamiento, con valores típicos que oscilan entre el 1,5% y el 6% en condiciones normales de carga completa, según el tamaño del acoplamiento y la aplicación: menores para unidades de potencia más grandes y mayores para unidades más pequeñas.[20][22]
La eficiencia en un acoplamiento de fluido se define cualitativamente como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada, η=PtPp\eta = \frac{P_t}{P_p}η=PpPt, que se aproxima a 1−s1 - s1−s ya que el par es casi igual en todo el acoplamiento y la potencia es proporcional a la velocidad.[22] Esto da como resultado una alta eficiencia operativa, que a menudo supera el 98% a velocidades nominales debido a un deslizamiento mínimo, aunque las pérdidas se manifiestan como calor por la fricción y circulación del fluido.[5]
Los efectos principales del deslizamiento incluyen la disipación de energía en forma de calor, lo que requiere sistemas de enfriamiento efectivos para controlar el aumento de temperatura y evitar la degradación del fluido o el desgaste de los componentes. Sin embargo, el deslizamiento controlado proporciona beneficios como una aceleración suave y protección contra sobrecarga durante los arranques, lo que permite un aumento gradual del par sin impacto mecánico en la maquinaria conectada.[20]
Velocidad de pérdida
En un acoplamiento de fluido, la velocidad de pérdida se refiere a la velocidad de rotación de entrada máxima a la que el impulsor puede operar mientras el rodete permanece estacionario, lo que resulta en una velocidad de salida cero y un deslizamiento total (100%), una condición que se encuentra principalmente durante el arranque de cargas de alta inercia. Esta velocidad está determinada fundamentalmente por el diseño de las palas del impulsor, que influye en la circulación del fluido y la generación de par, así como en las propiedades del fluido hidráulico, incluidas su densidad y viscosidad que gobiernan las fuerzas hidrodinámicas.
Durante la parada, el comportamiento del acoplamiento implica una acumulación progresiva de par a medida que aumenta la velocidad de entrada: el impulsor giratorio acelera el fluido, creando un flujo circulatorio que imparte par al corredor estacionario sin movimiento inicial, hasta que el par acumulado excede la resistencia inercial de la carga y el corredor comienza a girar. En este punto, el par de pérdida transmitido es igual al par de entrada del motor primario, lo que permite una transición controlada del reposo a la aceleración sin choque mecánico. Este proceso aísla momentáneamente al conductor de la carga, ya que la condición de deslizamiento total representa el extremo del deslizamiento operativo.[5][24]
Varios factores afectan la velocidad de pérdida, en particular la inercia de la máquina impulsada, que exige un mayor torque para el inicio y, por lo tanto, permite velocidades de entrada más altas antes del movimiento de salida, y la densidad del fluido, que escala directamente la capacidad de torque del acoplamiento al mejorar el impulso del fluido. La viscosidad también influye al influir en la resistencia al corte y al flujo del fluido, aunque está optimizada en aceites minerales estándar como ISO VG 32 para equilibrar estos efectos.[23][24][5]
En la práctica, la velocidad de pérdida sirve para limitar la corriente de entrada en los accionamientos de motores eléctricos al permitir que el motor alcance una velocidad cercana a la nominal en condiciones sin carga antes de la activación de la carga, mitigando así las caídas de voltaje y el estrés térmico en el sistema eléctrico. En los diseños de llenado variable, la velocidad de pérdida se puede controlar activamente modulando el volumen de fluido: los llenados más bajos extienden la duración de la pérdida para arranques más suaves, mientras que los llenados más altos (hasta 80-90 % de capacidad) la acortan para una respuesta más rápida, lo que mejora la adaptabilidad a características de carga específicas.[24][5]
Frenado hidrodinámico
El frenado hidrodinámico en acoplamientos hidráulicos aprovecha los principios hidrodinámicos del dispositivo en operación inversa para generar un par de retardo sin contacto físico entre los componentes. Cuando el rodete (turbina) gira más rápido que el impulsor (bomba), la diferencia de velocidad relativa invierte la dirección de circulación del fluido, lo que hace que las palas del rodete aceleren el fluido hacia afuera y lo dirija contra el impulsor más lento o estacionario, lo que produce un par de arrastre que desacelera el sistema. Este proceso convierte la energía cinética mecánica en energía térmica a través de fricción viscosa y turbulencia en el fluido, lo que permite una desaceleración controlada en aplicaciones donde los frenos mecánicos no son deseables o poco prácticos.
El efecto de frenado depende de condiciones de alto deslizamiento, donde la relación de velocidad entre el rodete y el impulsor se acerca o excede la unidad, lo que permite el flujo inverso que sostiene la resistencia. Las configuraciones para el frenado hidrodinámico generalmente implican configuraciones fijas con un rotor giratorio (tipo impulsor) conectado al eje que se va a frenar y un estator fijo (tipo turbina) montado en la carcasa, que proporciona una fuerza de retardo constante basada en el volumen y la velocidad del fluido. Se puede lograr un frenado variable en diseños adaptables modulando la cantidad de líquido, aunque esto ofrece control proporcional en lugar de ajuste instantáneo.
En aplicaciones críticas para la seguridad, como paradas de emergencia para cintas transportadoras, el frenado hidrodinámico disipa la energía inercial de las cargas en exceso en forma de calor, evitando el deslizamiento de la correa o daños estructurales durante una pérdida repentina de energía o sobrecargas. Este método sin desgaste es particularmente valioso en sistemas de transporte regenerativos o descendentes, donde complementa los accionamientos primarios absorbiendo el exceso de impulso sin depender de frenos basados en fricción.[26][27]
Las limitaciones clave incluyen una generación sustancial de calor a partir de la disipación de energía, lo que requiere sistemas de enfriamiento robustos o ciclos de trabajo limitados para evitar la degradación o el sobrecalentamiento del fluido. Además, el frenado proporciona una desaceleración brusca en lugar de una regulación precisa de la velocidad, con una eficiencia cercana a cero debido al deslizamiento total, lo que lo hace inadecuado para aplicaciones que requieren un control preciso o una operación sostenida a baja velocidad.