Velocidad crítica en dinámica de rotores explicada
A velocidad crítica es una velocidad de rotación en la que la frecuencia de funcionamiento de un rotor coincide con una de sus frecuencias naturales de vibración. Cuando una máquina funciona a una velocidad crítica o cerca de ella, resonancia se establece, e incluso una cantidad microscópica de desbalance residual se amplifica en grandes y potencialmente peligrosas vibración. Dado que cada rotor posee varias frecuencias naturales, una para cada modo de vibración, como el primer modo de flexión, el segundo modo de flexión, y así sucesivamente, también tiene múltiples velocidades críticas. Predecir, separarse de ellas y atravesarlas de forma segura es uno de los problemas centrales de dinámica de rotores.
1. Definición: ¿Qué es una velocidad crítica?
Un rotor en rotación es, en efecto, un sistema masa-rigidez y, como cualquier sistema de este tipo, tiene frecuencias preferidas en las que tiende a vibrar. La velocidad de funcionamiento suministra una entrada de forzamiento por revolución procedente del desbalance. Cuando la velocidad de funcionamiento coincide con una frecuencia natural, esa entrada de forzamiento llega en el momento perfecto con la propia oscilación del rotor, la energía se acumula ciclo tras ciclo y la amplitud se incrementa drásticamente. Ese punto de coincidencia es la velocidad crítica.
La forma que adopta el rotor al vibrar intensamente a una velocidad crítica es su forma modal, y el movimiento lateral de precesión que se desarrolla es la familia de comportamientos descrita bajo oil whirl y oil whip. Fundamentalmente, una velocidad crítica no es una propiedad del desbalance; el desbalance simplemente excita este fenómeno. La velocidad en sí está determinada por la masa y la geometría del rotor, así como por la rigidez de su eje y sus soportes.
2. Por qué la velocidad crítica es tan importante
Hacer funcionar una máquina a una velocidad crítica, aunque sea brevemente, puede ser catastrófico. Las consecuencias incluyen:
- Vibración excesiva: las amplitudes pueden aumentar en un factor de 10, 20 o más, dependiendo de cuánto amortiguamiento tenga el sistema.
- Fallo de componentes: la alta vibración y la deflexión del eje provocan el fallo de los rodamientos, el daño en los sellos y rozamientos entre las partes rotativas y estacionarias.
- Fallo catastrófico del eje: en casos graves, el esfuerzo de flexión alternante supera el límite de fatiga del material, agrietando o rompiendo el eje.
- Riesgos para la seguridad: un fallo a alta velocidad pone en peligro al personal y al equipo cercano.
Por todas estas razones, las máquinas se diseñan con un margen de separacióndeliberado: la velocidad de funcionamiento continua normal se mantiene a una distancia segura de cada velocidad crítica.
3. Rotores rígidos frente a rotores flexibles
La velocidad crítica es el concepto mismo que divide a los rotores en dos clases:
- Rotor rígido: funciona por debajo de su primera velocidad crítica. Su eje no se flexiona apreciablemente en servicio; típicamente son las máquinas más lentas y robustas, balanceadas según ISO 21940-11 tolerancias.
- Rotor flexible: diseñado para funcionar anterior su primera (y a veces segunda o tercera) velocidad crítica. Su eje se flexiona y dobla al pasar por cada velocidad crítica durante el arranque y la parada. Los rotores esbeltos y de alta velocidad en turbinas y compresores son rotores flexibles, y exigen las balanceo en múltiples planos técnicas cubiertas en ISO 21940-12.
4. Gestión de las velocidades críticas en operación
Dado que a menudo es poco práctico diseñar una máquina de alta velocidad que se mantenga por debajo de su primera velocidad crítica, los ingenieros combinan varias estrategias para convivir con ellas de forma segura.
4.1 Margen de separación
La regla más básica es mantener la velocidad de operación continua alejada de cualquier velocidad crítica, con un margen típico de ±20–30 %. Si una velocidad crítica está en 3 000 rpm, la máquina no debería funcionar continuamente entre aproximadamente 2 400 y 3 600 rpm.
4.2 Aceleración y desaceleración rápidas
Los rotores flexibles que deben cruzar una velocidad crítica se arrancan y se paran rápidamente a través de la banda de peligro. Permanecer en una velocidad crítica permite que la amplitud se acumule hasta niveles peligrosos; un paso rápido niega a la resonancia el tiempo necesario para crecer.
4.3 Amortiguamiento
El amortiguamiento disipa la energía vibratoria y es lo que limita la amplitud pico en resonancia. Los rodamientos, especialmente los de cojinetes de fricción , son una fuente primaria de amortiguamiento; los amortiguadores de película de aceite añaden más donde sea necesario. Optimizar el diseño del rodamiento mantiene el pico de la velocidad crítica en un nivel seguro y manejable.
4.4 Balanceo de precisión
Dado que la vibración a una velocidad crítica es una respuesta amplificada al desbalance, cuanto mejor esté balanceado un rotor, menor será su función de forzamiento y menor será su pico al barrer la resonancia. Para rotores flexibles, los métodos modales y multipiano apuntan a cada modo por turno.
5. Cómo se identifican las velocidades críticas
Las velocidades críticas se encuentran tanto en el papel como en el suelo de pruebas:
- Análisis dinámico de rotores (RDA): los modelos de elementos finitos construidos en la fase de diseño predicen las velocidades críticas y las formas modales antes de cortar el metal. Nuestro Calculadora de velocidad crítica del rotor proporciona una primera estimación rápida de la velocidad crítica más baja de un eje a partir de su geometría y soportes.
- Pruebas de arranque y paro por inercia: el método experimental más común, en el que se grafican la amplitud y la fase en función de la velocidad durante arranque o paro por inercia. Una velocidad crítica aparece como un pico de amplitud distinto acompañado del característico cambio de fase fase de 180°, mostrado en un Gráfica de Bode o diagrama en cascada.
- Pruebas de impacto (golpe): golpear el rotor estacionario con un martillo instrumentado excita sus frecuencias naturales, que corresponden a sus velocidades críticas; véase prueba de golpeteo.
Para máquinas que operan en un rango de velocidades, la relación entre los órdenes de excitación y las frecuencias naturales se visualiza mejor en un Diagrama de Campbell; puede mapear las intersecciones rápidamente con el Calculadora de diagrama de Campbell.
6. Confirmación del margen en campo
Predecir una velocidad crítica es solo la mitad del trabajo; verificar que la máquina real se comporte como se predijo es la otra mitad. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A captura la amplitud y la fase de 1× en función de las rpm durante un arranque o un paro por inercia, por lo que la ubicación real de la velocidad crítica y la altura de su pico de resonancia pueden leerse directamente de la traza. Si los datos muestran que la máquina está demasiado cerca de una velocidad crítica, el mismo instrumento respalda el balanceo en campo que reduce la función de excitación y atenúa el pico, lo que le permite confirmar el margen de separación en los rodamientos en los que el rotor realmente operará.
