Comprensión de las inestabilidades de oil whirl y oil whip del rotor
Oil whirl y oil whip — más a menudo encontrado como oil whirl y oil whip — son dos formas relacionadas y altamente peligrosas de autoexcitación, subsíncrono vibración que ocurren en maquinaria rotativa de alta velocidad que funciona en cojinetes de película fluida (muñón). No son vibraciones forzadas impulsados por fallas como desbalance o desalineación; en cambio, son inestabilidades del rotor en las que el movimiento del propio rotor genera las fuerzas que sostienen y amplifican la vibración. En ambos casos, el eje “gira en espiral” (whirls) — precesa hacia adelante en una órbita grande dentro del juego del cojinete, trazando una trayectoria bastante separada de su propio giro.
1. Definición: ¿Qué son el oil whirl y el oil whip?
Conviene separar dos ideas que el término cotidiano “whirl” confunde. Giro (Spin) es el rotor girando sobre su propio eje geométrico. Oil whirl (o precesión) es la órbita de ese eje en su totalidad alrededor de un círculo más grande dentro del cojinete — imaginen una moneda girando cuyo centro también da vueltas sobre la mesa. Todos los rotores tienen un poco de whirl; el problema comienza cuando el whirl deja de ser una respuesta benigna a desbalance residual y se convierte en autoexcitado, obteniendo su energía de la rotación constante en lugar de de cualquier forzamiento externo. El oil whirl es la precesión autoexcitada impulsada por la película de aceite del cojinete; el oil whip es la resonancia violenta en la que puede madurar. Debido a que la fuente de energía es la rotación misma, estas inestabilidades no pueden compensarse con balanceo — un contraste definitorio con los problemas síncronos.
2. El mecanismo: ¿Cómo ocurre?
En un cojinete de película fluida, el eje rotativo no se apoya mediante contacto metal contra metal, sino por una cuña de aceite a alta presión. El eje no se asienta en el centro del cojinete; se monta hacia un lado, desplazado por la carga que transporta. A medida que la superficie del muñón del eje arrastra el aceite alrededor de la brecha anular, el lubricante circula a una velocidad promedio ligeramente inferior a la mitad de la velocidad superficial del eje — el fluido que toca el eje se mueve a la velocidad del eje, el fluido contra la pared estacionaria del cojinete está casi quieto, y el promedio global se sitúa justo por debajo de 0.5×.
El oil whirl ocurre cuando esta película circulante comienza a “empujar” al eje con carga ligera hacia adelante, arrastrándolo en una gran órbita hacia adelante alrededor del cojinete. La frecuencia del whirl está determinada por la velocidad promedio de la película de aceite, que cae típicamente entre 42% y 48% de la velocidad de operación (0.42× a 0.48×). Esa firma subsíncrona distintiva — cercana, pero nunca exactamente, a la mitad de velocidad de operación — es la huella digital que buscan los analistas. (La cifra de “ligeramente menos de la mitad” es también por qué el oil whirl a veces se llama laxamente “whirl a media velocidad,” aunque el valor verdadero nunca llega exactamente a 0.5×.)
3. Oil whirl: El precursor
El oil whirl suele ser la etapa inicial de la inestabilidad — una advertencia, aún no una catástrofe. Sus características son:
- Frecuencia: aparece como un pico distinto en el FFT espectro entre 0.42× y 0.48× de las RPM.
- Comportamiento: la frecuencia del whirl aumenta a medida que la máquina acelera, siguiendo siempre esa proporción de ~45% de la velocidad de operación. En un arranque (run-up) sube como una sombra subsíncrona debajo de la línea 1×.
- Severidad: puede producir vibración alta pero a veces estable, y puede aparecer o desaparecer conforme cambian la carga, la velocidad o la temperatura del aceite. Indeseable, ciertamente — pero no siempre destructivo de inmediato.
- Sensibilidad: los cojinetes con carga ligera, sobredimensionados o desgastados son los culpables habituales, porque una carga específica baja permite que la cuña de aceite domine la posición del eje.
4. Oil whip: El peligro crítico
El oil whip es una condición mucho más grave que crece directamente a partir del oil whirl. Golpea cuando la máquina acelera hasta el punto en que la frecuencia del oil whirl (aproximadamente al 45% de la velocidad de operación) sube para encontrar la primero frecuencia natural — su primera velocidad crítica. En ese momento, el whirl “se bloquea en” la frecuencia natural y excita una resonanciacompleta. Sus características son:
- Frecuencia: la vibración se bloquea en la primera frecuencia natural del rotor y no sube más, incluso cuando la máquina sigue acelerando — así que el pico subsíncrono “se aplana” mientras el pico 1× avanza.
- Amplitud: la vibración crece mucho, volviéndose violenta e inestable.
- Comportamiento: el oil whip es extremadamente destructivo y no se no resuelve acelerando más. Puede destruir cojinetes, sellos y el propio rotor en muy poco tiempo, a veces mediante rozamiento del rotor grave cuando la órbita llena el juego.
La velocidad a la que se establece el whip es típicamente poco más de el doble de la primera velocidad crítica del rotor — el punto donde la línea de whirl ~0.5× cruza la primera frecuencia natural. Una máquina en el agarre del oil whip necesita un paradainmediato; este es precisamente el escenario en el que protección de maquinaria los sistemas están diseñados para disparar.
5. Cómo identificar el oil whirl y el oil whip
- Análisis de espectro: buscar un pico subsíncrono fuerte. Durante un arranque, si la frecuencia de ese pico aumenta con la velocidad, se trata de whirl; si se «aplana» en un valor fijo mientras el pico de 1× sigue subiendo, ha transitado a whip.
- Gráfica de órbita: la órbita del eje es un círculo o elipse grande de precesión hacia adelante, frecuentemente con el componente de 1× superpuesto para dar un patrón característico de «lazo sobre lazo».
- Diagrama en cascada: un diagrama en cascada (o (waterfall)) de un arranque ofrece la imagen más clara posible, mostrando la frecuencia de whirl subir con la velocidad hasta que intersecta la primera frecuencia natural y se bloquea en whip. Mapear esos cruces es exactamente lo que hace un Diagrama de Campbell .
Como el whirl y el whip viven por debajo de 1×, el analizador debe alcanzar bien por debajo de la velocidad de operación y resolver la fase con precisión. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A captura la amplitud y fase sincronizada del componente de velocidad de operación durante un arranque o paro por inercia, lo que permite a un ingeniero confirmar en sitio que un pico persistente de baja frecuencia es una verdadera inestabilidad del cojinete y no un desbalance ordinario — y, tan útilmente, descartar un problema de balanceo antes de perseguir una corrección que nunca iba a funcionar.
6. Causas y Soluciones
Estas inestabilidades están gobernadas por el diseño del cojinete, la geometría del rotor, la viscosidad del aceite, la temperatura y la carga — un conjunto enmarañado de interacciones capturadas formalmente en dinámica de rotores. No son causadas por desbalance y no pueden curarse con balanceo; los remedios son cambios a nivel de diseño:
- Cambiar a una geometría de cojinete más estable, como un cojinete de fricción de patas basculantes.
- Alterar la viscosidad del aceite o la temperatura de operación para desplazar el comportamiento de la película.
- Aumentar la carga específica del cojinete para que el eje se asiente firmemente y la cuña de aceite ya no pueda dominar.
- Agregar ranuras, presas axiales o perfiles de taladro de limón que rompan el flujo circunferencial de aceite que alimenta el whirl.
Una inestabilidad estrechamente relacionada, steam whirl, surge de fuerzas aerodinámicas en lugar de fuerzas de película de aceite en turbinas, pero produce una imagen subsíncrona autoexcitada similar — un recordatorio de que «whirl» es una familia de fenómenos unidos por un rasgo: el rotor alimentando energía a su propia órbita.
