TURBINA EÓLICA QUE INCLUYE UN AMORTIGUADOR
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a una turbina eólica y, de manera más particular, a las mejoras en la cadena de transmisión de la turbina eólica. Las modalidades de la invención resuelven los problemas relacionados con las vibraciones de torsión.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Si bien, durante el desarrollo de las cadenas de transmisión de turbinas eólicas se han realizado mejoras significativas, siguen existiendo problemas que se relacionan con la vida útil de los elementos de transmisión mecánica, como por ejemplo, engranajes, y que se relacionan con las vibraciones debidas a la torsión en la cadena de transmisión. El inventor de la presente ha determinado que las fuerzas en la cadena de transmisión que se derivan de, por ejemplo, las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre las aspas del rotor de la turbina eólica y/o de las ruedas dentadas de un engranaje de la cadena de transmisión, como la llamada frecuencia de toma o engranado del engranaje, puede excitar resonancias de torsión en la cadena de transmisión. Como consecuencia
de las resonancias de torsión excitadas, se transmiten cargas indeseables a los elementos transmisores de la cadena de transmisión. Adicionalment e , se ha encontrado que la tonalidad, es decir, el ruido emitido por la turbina eólica, se presenta como consecuencia de las vibraciones de torsión en la cadena de transmisión. De aquí que, un objeto de las modalidades preferidas de la invención es presentar una mejora en la cadena de transmisión de una turbina eólica, la cual reduzca el riesgo de excitar resonancias de torsión en la cadena de transmisión. Otro objeto más de las modalidades preferidas de la invención es presentar una mejora en la cadena de transmisión, misma que reduzca la tonalidad. La invención presenta, en consecuencia, una turbina eólica que incluye: un rotor impulsado por el viento para la conversión de la energía eólica en una fuerza impulsora mecánica; - un convertidor de potencia para convertir la fuerza impulsora en potencia explotable; una cadena de transmisión para transmitir rotati amente la fuerza impulsora al convertidor de potencia, la cadena de transmisión incluye al menos un elemento de transmisión que puede
girar o rotar; con lo que, al menos el rotor y al menos un elemento de transmisión giratorio de la cadena de transmisión definen al menos una frecuencia de resonancia torsional, es decir, de torsión; donde la cadena de transmisión incluye además un amortiguador dinámico de esfuerzos de torsión, también denominado amortiguador dinámico, que tiene: al menos un elemento de masa que posee una inercia debida a la masa; al menos un elemento elástico que tiene propiedades elásticas; el elemento de masa y el elemento elástico están dispuestos de modo que giren durante la operación de la turbina eólica, con lo que la frecuencia de resonancia torsional recibe la influencia de las propiedades elásticas y de la inercia debida a la masa. La invención describe adicionalmente el uso de un amortiguador dinámico en una cadena de transmisión de una turbina eólica para controlar la frecuencia de resonancia de torsión de la cadena de transmisión; la turbina eólica incluye un rotor impulsado por el viento para la conversión de la energía eólica en una fuerza impulsora mecánica y un convertidor de potencia para convertir la fuerza impulsora
en energía explotable; la cadena de transmisión está dispuesta para que transmita rotativamente la fuerza impulsora al convertidor de potencia e incluye al menos un elemento de transmisión rotativo o giratorio, mediante el cual, al menos el rotor y al menos un elemento de transmisión giratorio de la cadena de transmisión definen la frecuencia de resonancia torsional; el amortiguador dinámico tiene al menos un elemento de masa que posee una masa inercial determinada y al menos un elemento elástico que tiene propiedades elásticas; el elemento de masa y el elemento elástico están dispuestos de modo que giren durante el funcionamiento de la turbina eólica, con lo cual, la frecuencia de resonancia torsional recibe la influencia de la inercia debida a la masa y de las propiedades elásticas. En la turbina eólica y durante el uso de la invención, puede lograrse que la frecuencia de resonancia de torsión dependa de la inercia debida a la masa y de las propiedades elásticas. Por lo tanto, la frecuencia de resonancia puede ser controlada, para que no coincida con las frecuencias que se presentan en la cadena de transmisión durante el funcionamiento de la turbina eólica. En caso de que el amortiguador dinámico, al que en ocasiones también se referirá únicamente como amortiguador, permita variar las
propiedades elásticas del elemento elástico del amortiguador ajustando, por ejemplo, la distorsión del elemento elástico; la frecuencia de resonancia torsional de la cadena de transmisión puede controlarse o fijarse una vez que la turbina eólica ha sido instalada en el sitio donde funcionará o, incluso, puede variarse durante la operación. Alternativamente, si las frecuencias de excitación se conocen durante la etapa de diseño de la cadena de transmisión, los parámetros del amortiguador, entre los que se incluyen la inercia debida a la masa del elemento de masa y/o la elasticidad del elemento elástico, pudieran elegirse ya en la etapa de diseño mediante el modelado adecuado de la cadena de transmisión. El amortiguador dinámico puede, por ejemplo, incluir un regulador ajustable, según se describe en la publicación europea de patente núm. EP 1 197 678 A2, que de este modo, se incorpora como referencia en la presente. El elemento elástico puede, por ejemplo, estar hecho de hule, de látex o de cualquier otro material que tenga propiedades elásticas, entre los que se incluyen diversos materiales plásticos, como por ejemplo, diversos tipos de náilones. Por lo
general, para amortiguar frecuencias relativamente elevadas, en el elemento elástico se utiliza nailon, en tanto que para amortiguar frecuencias relativamente bajas, se utiliza hule o látex. El convertidor de potencia puede incluir un generador para convertir en electricidad la fuerza impulsora mecánica. No obstante, se entenderá que el convertidor de potencia también puede incluir un sistema mecánico, por ejemplo, un sistema de engranes, para la transmisión adicional de la fuerza impulsora mecánica . El o los elementos de transmisión pueden incluir cualquier flecha, engranaje u otro elemento giratorio en la cadena de transmisión, por medio del cual se transmita una fuerza impulsora mecánica. En este contexto, el término frecuencia puede designar una frecuencia medida en vibraciones por segundo (Hz) y/o una velocidad angular medida en radianes por segundo. Las vibraciones torsionales dan lugar a una tonalidad en las turbinas eólicas que normalmente tiene una frecuencia de aproximadamente entre 50 y 1000 Hz. El amortiguador puede instalarse radialmente alrededor de una flecha de transmisión de la cadena de transmisión. Por ejemplo, el elemento elástico puede incluir o adoptar la forma de un elemento elastomérico
prácticamente anular. Este elemento puede estar soportado por una estructura de soporte, como por ejemplo, uno o más elementos anulares, cuya circunferencia o circunferencias internas rodeen la circunferencia externa del elemento elástico. Pueden colocarse varios elementos elásticos. En una modalidad, cuando la circunferencia externa del elemento elástico se observa en sección transversal longitudinal tiene esencialmente forma de V. De este modo, el elemento elástico puede tener un diámetro externo más pequeño hacia sus extremos que hacia su parte media, lo que define porciones cónicas opuestas. En esta modalidad, la estructura de soporte puede incluir dos elementos de soporte opuestos para acoplarse con las respectivas porciones cónicas del elemento elástico, los elementos de soporte son esencialmente anulares y sus circunferencias internas definen conos invertidos. Los elementos de soporte pueden mantenerse unidos en forma permanente en una relación fija mutua. En forma alternativa, su relación mutua, es decir, la posición que guardan entre ellos, puede ser variable. Por ejemplo, pueden estar mutuamente fijos y mantenerse unidos por medio de un sujetador desmontable, como por ejemplo, un tornillo o un perno. La posición mutua variable de los elementos
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de soporte permite variar la distorsión del elemento elástico, conforme varia la fuerza ejercida por los elementos de soporte del elemento elástico con la posición mutua de los elementos de soporte. Por lo tanto, es posible hacer variar las propiedades elásticas del elemento elástico. Son posibles otras configuraciones, mismas que permiten que el elemento elástico tenga una distorsión o fuerza variable, por ejemplo, configuraciones en las que sólo un extremo del elemento elástico tiene una circunferencia cónica o ahusada o configuraciones en las cuales el elemento elástico está rodeado por una mordaza o abrazadera. El elemento de masa puede incluir o estar incluido en cualquier elemento estructural del amortiguador o puede formar parte de una estructura para el montaje del amortiguador en la cadena de transmisión. En la modalidad anterior, que incluye uno o más elementos de soporte para el elemento elástico, el elemento o elementos de soporte también puede constituir el elemento de masa. En forma alternativa, el elemento de masa puede suministrarse como un elemento separado y ubicarse coaxialmente al elemento o elementos elásticos y/o estar desplazado longitudinalmente del mismo. En el caso de aplicaciones típicas, es decir, de aplicaciones en las cuales el amortiguador dinámico
está montado entre el engranaje de la cadena de transmisión y el convertidor de potencia, el amortiguador dinámico tiene una inercia vibratoria de 0.5 a 5 kgm2, por ejemplo, de 1 a 4 kgm2, de 1.5 a 3 kgm2 o de 2 a 2.5 kgm2. La masa total del amortiguador está, normalmente, entre 25 y 250 kg, por ejemplo, entre 50 y 150 kg o, por ejemplo, entre 75 y 125 kg, o entre 90 y 110 kg, que incluye la masa del elemento de masa. En caso de que el amortiguador incluya un elemento de montaje separado para montar al amortiguador en la cadena de transmisión, por ejemplo, una brida, la masa de este elemento de montaje está, normalmente, entre 5 y 50 kg, por ejemplo, entre 10 y 40 kg o entre 15 y 35 kg o entre 20 y 30 kg . El elemento o elementos de masa tienen, por lo general, una masa de entre 5 y 50 kg, por ejemplo, entre 10 y 40 kg o entre 15 y 35 kg o entre 20 y 30 kg . En general, la relación entre la masa necesaria del elemento o elementos de masa y la velocidad de rotación nominal del elemento de transmisión es que al aumentar la velocidad de rotación requiere disminuir las masas y viceversa. En caso de que el amortiguador esté montado entre el engranaje de la cadena de transmisión y el convertidor de potencia, es decir, corriente abajo del engranaje, normalmente está ajustado en forma radial alrededor de
una flecha que tiene un diámetro de entre 150 y 800 mm, de entre 200 y 500 mm o de entre 250 y 400 mm. En caso de que la cadena de transmisión incluya un engranaje ubicado entre el rotor impulsado por el viento y el convertidor de potencia, en la cual, la flecha de salida del engranaje gira a mayor velocidad que la flecha de entrada del mismo, el amortiguador se ubica, de preferencia, entre el engranaje y el convertidor de potencia. Sin embargo, el amortiguador también puede estar colocado en la flecha de entrada del engranaje o en una etapa intermedia en el engranaje, en cuyo caso y debido al engranado, se necesitan masas e inercias mayores. En una típica aplicación de turbina eólica, la flecha de entrada del engranaje gira a la velocidad de rotación del rotor de la turbina eólica, es decir, aproximadamente a entre 10 y 25 rpm. La flecha de salida del engranaje, por lo general, gira a aproximadamente entre 80 y 120 veces esa velocidad, es decir, alrededor de entre 800 y 3, 000 rpm., como por ejemplo, a aproximadamente entre 1,000 y 2,500 rpm. En modalidades preferidas de la invención, el amortiguador está colocado entre el engranaje y el convertidor de potencia para beneficiarse del engranado, es decir, para lograr el efecto
amortiguador deseado con una masa comparativamente pequeña. Sin embargo, en otras modalidades, el amortiguador se ubica entre el rotor de la turbina eólica y el engranaje. Hay más espacio disponible para el amortiguador entre el rotor y el engranaje que entre el engranaje y el convertidor de potencia, en tanto que es poco el espacio libre disponible entre la caja de engranes y el convertidor de potencia, lo que provoca que el acceso para el montaje y el mantenimiento del amortiguador se vuelva más compl icado . El amortiguador puede estar integrado en o formar parte de otro componente, como por ejemplo, un componente de la cadena de transmisión, como por ejemplo, una caja de engranes, un freno o un convertidor de potencia. Esta integración del amortiguador y otro componente reduce las dificultades de montaje, en particular, en el lado de alta velocidad del engranaje, es decir, entre el engranaje y el convertidor de potencia, donde sólo se dispone de una cantidad de espacio limitada. En este contexto deberá entenderse que la intención de las expresiones "integrado en" y "formar parte de" es que quieran decir que el amortiguador está conectado con o alojado en el otro componente en cuestión, por ejemplo,
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conectado con o alojado en el alojamiento del otro componente. Las modalidades, en las que el amortiguador está integrado en otro componente, son particularmente adecuadas en aplicaciones en las cuales el amortiguador no cuenta con un componente moderni zador , pero en las cuales, el amortiguador se consideró desde la etapa de diseño de la turbina eólica . Se han previsto modalidades en las cuales se incluya una pluralidad de amortiguadores, por ejemplo, uno entre el rotor y el engranaje y otro entre el engranaje y el convertidor de potencia. El amortiguador puede estar soportado en un soporte fijo de la cadena de transmisión, con lo que la interconexión entre el amortiguador y el soporte fijo es, de preferencia, menos elástica que el elemento elástico. En este contexto debe entenderse que un soporte fijo es un soporte que está relativamente fijo en un elemento de transmisión giratorio de la cadena de transmisión. Las elasticidades de la interconexión arriba mencionada y del elemento elástico del amortiguador pueden, de manera conveniente, definirse en términos de constantes de resorte, normalmente, constantes de resorte de torsión. De este modo, la interconexión
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entre el amortiguador y el soporte fijo puede definir una primera constante de resorte de torsión, ki, y el elemento elástico puede definir una segunda constante de resorte de torsión, k2. En las modalidades preferidas de la presente invención, el valor de la primera constante de resorte de torsión, ki, es de preferencia, al menos dos órdenes de magnitud mayor que el de la segunda constante de resorte de torsión, k2. El amortiguador define una velocidad de resonancia angular, ?, que es aproximadamente igual a j , donde k denota la constante de resorte de torsión del amortiguador y j denota la masa inercial efectiva del amortiguador. Se ha encontrado que cuando el amortiguador está instalado en la cadena de transmisión, la velocidad de resonancia angular de la cadena de transmisión es aproximadamente igual a la velocidad de resonancia angular del amortiguador, ?. La constante de resorte de torsión del amortiguador es aproximadamente igual a ( ki*k2) / ( ki+k2) . De aquí que, la constante k de resorte de torsión del amortiguador se vuelve aproximadamente igual a k2 cuando ki es significativa mayor que k2. Para el modelado de las frecuencias de resonancia, seria deseable que ki pudiera despreciarse en la etapa de diseño. De este
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modo, ki es, de preferencia, significativamente mayor que k2 y, con la máxima preferencia, mayor que k2 al menos en dos órdenes de magnitud. La interconexión entre el amortiguador y el soporte fijo es, de preferencia, una conexión rígida. Un freno, incluido normalmente en las cadenas de transmisión de turbinas eólicas, puede servir, de manera conveniente, como el soporte fijo del amortiguador. El freno está colocado, normalmente, corriente abajo del engranaje de la cadena de transmisión, que también es la ubicación preferida para el amortiguador. Adicionalmente, debido a su extensión radial y resistencia mecánica, el freno puede aportar, por lo general, las dimensiones y la estabilidad necesarias para soportar al amortiguador donde, de manera opcional, se instala una brida separada entre el o los elementos de masa del amortiguador y el freno con la finalidad de aumentar la estabilidad mecánica. En forma alternativa, un mecanismo de acoplamiento de la cadena de transmisión puede servir como el soporte fijo del amortiguador. El mecanismo de acoplamiento puede incluir, por ejemplo, un disco de acoplamiento, al que el amortiguador se conecta por medio de una brida. Normalmente, el mecanismo de
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acoplamiento incluye, como elemento de acoplamiento, una flecha o tubo flexible.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS En lo que sigue, las modalidades de la invención serán descritas de manera adicional con referencia a los dibujos, en los cuales: Las figuras 1 y 2 son ilustraciones esquemáticas de cadenas de transmisión de las modalidades primera y segunda de una turbina eólica de conformidad con la invención. La figura 3 ilustra la frecuencia de resonancia torsional en una cadena de transmisión de la técnica anterior que no incluye un amortiguador. La figura 4 ilustra las frecuencias de resonancia torsional en la cadena de transmisión de una turbina eólica de conformidad con la invención que incluye un amortiguador . Las figuras 5 y 6 ilustran una modalidad de un amortiguador dinámico de esfuerzos de torsión. Las turbinas eólicas, ilustradas de manera esquemática en las figuras 1 y 2, incluyen un rotor 100 impulsado por el viento que tiene, por ejemplo, tres aspas. El rotor 100 impulsa la flecha de entrada 102 de un engranaje 104 y la flecha de salida 106 que
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se extiende hasta un freno 108. Una flecha corriente abajo 110 se extiende hasta un elemento de acoplamiento 112, mismo que está conectado con un convertidor de potencia 116 por medio de una flecha adicional 114. Podrá apreciarse que tanto las flechas 102, 106, 110 y 114 como el engranaje 104, el freno 108 y el acoplamiento 112 forman parte de una cadena de transmisión de la turbina eólica, la cual transmite una fuerza impulsora mecánica desde el rotor 100 hasta el convertidor de potencia 116. El convertidor de potencia 116 puede incluir, por ejemplo, un generador para convertir la fuerza impulsora mecánica en energía explotable, como por ejemplo, electricidad. Los anteriores elementos de la cadena de transmisión definen al menos una frecuencia de resonancia de torsión. El inventor ha encontrado que, si la frecuencia de resonancia de torsión es excitada por fuerzas que se presentan en la cadena de transmisión durante el funcionamiento, se presentan luego una tonalidad y cargas indeseables. Lo anterior podrá observarse en el diagrama de la figura 3, en la cual la amplitud de las vibraciones de torsión está representada en función de la frecuencia de las vibraciones. En la figura 3, ? indica la frecuencia torsional de resonancia de la cadena de transmisión.
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Se entenderá que si a la cadena de transmisión se le aplican fuerzas de torsión de una frecuencia que coincide con la frecuencia de resonancia, o, en la cadena de transmisión se excita la resonancia de torsión. El inventor de la presente ha encontrado que esta excitación de la resonancia torsional es, con frecuencia, la causa de la tonalidad, que también reduce la vida útil de las partes mecánicas, como por ejemplo, los engranes. Para asegurarse que la frecuencia de resonancia torsional, ?, de la cadena de transmisión no coincida con la frecuencia, a la que se le imparten fuerzas a la cadena de transmisión, las turbinas eólicas de las figuras 1 y 2 incluyen un amortiguador 118 que incluye un elemento de masa 120 y un elemento elástico 122. En la modalidad de la figura 1, el amortiguador 118 está montado en el elemento de acoplamiento 112, como se ilustra con las ménsulas 124, y en la modalidad de la figura 2, el amortiguador 118 está montado en el freno 118, como se ilustra mediante las ménsulas 126. Es gracias a la instalación del amortiguador 118 que puede lograrse que la frecuencia de resonancia torsional dependa de la masa inercial del elemento de masa y de las propiedades elásticas del elemento elástico. Por lo tanto, la
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frecuencia de resonancia puede ser controlada, para que no coincida con las frecuencias que se presentan en la cadena de transmisión durante el funcionamiento de la turbina eólica. Por ejemplo, según se muestra en la figura 3, el amortiguador puede derivar en que la cadena de transmisión defina dos frecuencias de resonancia torsional, CÚI y ?2, cada una de las cuales está alejada de la frecuencia, fop, de las fuerzas impartidas. El efecto de este control de la frecuencia de resonancia torsional es que las cargas indeseables no se presentan en la misma medida en la cadena de transmisión, como seria el caso si el amortiguador 118 no estuviese instalado, y que la tonalidad se reduce. Las figuras 5 y 6 ilustran una posible modalidad de un amortiguador 118. En la figura 5, el amortiguador se observa en una vista de extremo, en tanto que la figura 6 es una vista en sección transversal a lo largo de la linea A-A de la figura 5. El amortiguador incluye un elemento elástico anular 130, que está montado de manera circunferencial alrededor de una flecha impulsora hueca, por ejemplo, de la flecha corriente abajo 110 (Cf. las figuras 1 y 2) . Hay una separación entre la superficie circunferencial interna del elemento elástico 130 y la superficie externa de la flecha 110. Una porción de la
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superficie externa del elemento elástico 130 tiene forma de V cuando se observa en sección transversal. Se han colocado dos elementos de masa anulares 132 y 134 y sus circunferencias internas están ajustadas en la circunferencia externa con forma de V del elemento elástico 130. Los elementos de masa 132 y 134 también sirven como elementos de soporte del elemento elástico 130. La colocación de los primeros tornillos 136 es para mantener a los elementos de masa 132 y 134 en una posición mutua fija y para mantener la distorsión del elemento elástico 130. La distorsión del elemento elástico 130 influye en las propiedades elásticas del elemento elástico 130 y, de esta manera, en la frecuencia de resonancia torsional, ?, del amortiguador, la cual puede calcularse en forma aproximada con
donde k denota la constante de
resorte de torsión del elemento elástico 130, la constante de resorte de torsión depende de las propiedades elásticas del elemento 130 y, donde, j denota la inercia debida a la masa de los elementos de masa 132 y 134, a la que también se le denomina "masa inercial activa" del amortiguador. En la mayoría de las modalidades de la invención, la frecuencia de resonancia torsional del amortiguador será prácticamente igual a la frecuencia de resonancia
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torsional definida por los componentes de la cadena de transmisión . La colocación de los segundos tornillos 138 es para asegurar el elemento elástico 130 y los elementos de masa 132 y 134 a la brida 140, la cual, gracias a los terceros tornillos 142, se une a un disco de acoplamiento 144 por medio del elemento de conexión triangular 143. Podrá observarse que el disco de acoplamiento 144 constituye un soporte fijo para el amortiguador 118 y que el amortiguador junto con sus elementos de masa 132 y 134 y el elemento elástico 130 giran con la flecha 110 durante el funcionamiento de la turbina eólica. Como se muestra en la figura 6, el extremo izquierdo de la flecha 110 termina en otro disco 146 para conectar a la flecha con otro elemento de transmisión adicional o con el freno 108 (Cf. las figuras 1 y 2 ) . La interconexión entre el amortiguador 118 y el disco de acoplamiento 144 define una primera constante de resorte de torsión, klf definida por las propiedades de los terceros tornillos 142 y su distorsión, asi como por la masa de la brida 140. El elemento elástico 130 define una segunda constante de resorte de torsión, k2, que de preferencia, es al menos dos órdenes de magnitud menor que la primera constante
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de resorte de torsión ki . De aquí que, la constante global de resorte de torsión, k, del amortiguador 118 es aproximadamente igual a (ki*k2) / (ki+k2) , donde la contribución de ki es prácticamente despreciable. Para la mayoría de las aplicaciones, el valor de la segunda constante de resorte de torsión k2 está entre 105 y 107 Nm/radián, como por ejemplo, aproximadamente 2*106 Nm/radián . En una modalidad, la longitud Li indicada en la figura 6 es aproximadamente de 100 mm y la longitud L2 es aproximadamente de 190 mm. El diámetro interno Di del amortiguador es aproximadamente de 325 mm y el diámetro externo D2 es aproximadamente de 500 mm. La inercia vibracional del amortiguador es aproximadamente de 2.2 kgm2 y el peso total de los elementos de masa 132 y 134 es aproximadamente de 25 kg . La brida 140 tiene una masa de aproximadamente 25 kg y la masa total del amortiguador es aproximadamente de 105 kg. La constante de resorte de torsión del elemento elástico 130 es aproximadamente de 1.9*106 Nm/radián. Sin embargo, debe entenderse que son factibles muchas otras dimensiones, inercias debidas a la masa, masas y diseños, dependiendo, por ejemplo, de condiciones de funcionamiento, tales como el orden de magnitud de las frecuencias que serán amortiguadas y
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el diámetro de las flechas impulsoras de la cadena de transmisión. Del mismo modo, la ubicación del amortiguador influye en las propiedades del amortiguador. Por ejemplo, si el amortiguador estuviese colocado corriente arriba del engranaje 104 (Cf. las figuras 1 y 2), se necesitarían masas mayores .
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