Comprensión del Oil Whirl
Oil whirl es un tipo de vibración autoexcitada e inestable que ocurre en máquinas equipadas con cojinetes de película de fluido (muñón) — entre ellas, turbinas, compresores y bombas de gran tamaño. Es una forma de inestabilidad inducida por el fluido inestabilidad en la que la película de aceite que sostiene el eje comienza a empujar el eje alrededor del juego del cojinete en un movimiento circular hacia adelante. Dado que este giro ocurre a una frecuencia inferior a la velocidad de funcionamiento de la máquina (1×), es una subsíncrono vibración — y, al ser autoexcitada, no requiere una función de forzamiento externo para mantenerse.
1. Definición: ¿Qué es el Oil Whirl?
A diferencia de desbalance, que es una vibración síncrona (1×) vibración forzada, el oil whirl es una vibración autoexcitada: la energía que lo impulsa proviene de la rotación constante del propio eje, alimentada a través de la película de aceite del cojinete. Esa distinción es importante desde el punto de vista diagnóstico, porque las inestabilidades autoexcitadas pueden aparecer de repente, crecer rápidamente y no pueden «equilibrarse» como se hace con un desbalance de 1×.
2. Características del Oil Whirl
El oil whirl tiene varias firmas distintas e identificables en los datos de vibración:
- Frecuencia: la característica más prominente es un pico de gran amplitud a una frecuencia ligeramente inferior a la mitad de la velocidad de funcionamiento — típicamente entre 0.4× y 0.48× (40 % a 48 % de la velocidad del eje). En una máquina que funciona a 3000 rpm (50 Hz), el oil whirl aparecería aproximadamente a 1200–1440 rpm (20–24 Hz).
- Dirección: la vibración es principalmente radial (horizontal y vertical) y a menudo es fuertemente direccional.
- Gráfica de órbita: vista en una gráfica de órbita desde X–Y sondas de proximidad, el oil whirl aparece como una órbita grande, con precesión hacia adelante, a menudo distorsionada (no circular) que contiene un único bucle interno bien definido.
- Comportamiento: el oil whirl no está vinculado a una frecuencia fija. A medida que la máquina aumenta su velocidad, la frecuencia del whirl la sigue, manteniendo siempre la relación característica de ~0.4×–0.48× de la nueva velocidad de funcionamiento. Este comportamiento de seguimiento de velocidad es el diferenciador clave frente a un resonancia estructural, que se mantiene en una frecuencia fija independientemente de la velocidad del eje.
Capturar estas características de forma limpia requiere una medición multicanal con referencia de fase. Un diagrama en cascada tomado durante un arranque o paro por inercia es especialmente revelador, porque se observa que el pico subsíncrono avanza junto con la velocidad de funcionamiento en lugar de permanecer fijo.
3. El mecanismo: ¿Cómo ocurre el Oil Whirl?
El oil whirl surge de la dinámica de la cuña de aceite hidrodinámica que sostiene el eje en un cojinete de fricción. En operación normal, el eje en rotación arrastra el aceite hacia un espacio con forma de cuña, generando un campo de presión que levanta y sostiene el eje. El eje no se asienta en el centro del cojinete, sino que se desplaza ligeramente, en un ángulo de actitud respecto a la línea de carga.
El aceite dentro de esa cuña circula alrededor del cojinete a aproximadamente la mitad de la velocidad superficial del eje — lo cual es precisamente por lo que la inestabilidad resultante aparece justo por debajo de 0.5×. Si el cojinete está poco cargado o tiene un juego excesivo juego, las fuerzas estabilizadoras se debilitan. Una pequeña perturbación puede entonces permitir que el eje sea «capturado» por la película circulante, que comienza a impulsarlo en una trayectoria circular alrededor del cojinete. El resultado es una vibración autosostenida que puede crecer hasta una amplitud muy alta, a menudo limitada solo por el propio juego del cojinete — momento en el que el eje comienza a contactar la superficie del cojinete.
4. Oil Whip: La forma más grave
Si la máquina acelera hasta el punto en que la frecuencia del oil whirl (~0.4×–0.48×) coincide con una de las frecuencias naturales del rotor frecuencias naturales — una velocidad crítica — la condición se agrava dramáticamente. Esto se denomina oil whip, el extremo violento de la más amplia familia de inestabilidades whirl-and-whip .
- Frecuencia bloqueada: la vibración se «bloquea» en la frecuencia natural del rotor y ya no aumenta a medida que la máquina acelera más.
- Alta amplitud: la condición resonante impulsa la amplitud a niveles extremadamente altos.
- Peligro: el oil whip es una condición muy peligrosa e inestable que puede llevar a una falla catastrófica, incluyendo el desgaste severo del cojinete y un grave rozamiento del rotor.
5. Causas comunes y soluciones
- Causas: cojinetes poco cargados, juego excesivo del cojinete, viscosidad del aceite demasiado baja, presión de suministro de aceite excesiva, o un diseño de máquina que coloca una velocidad crítica aproximadamente al doble de la velocidad de funcionamiento (de modo que el rotor alcanza su velocidad crítica exactamente donde llega la frecuencia del whirl).
- Soluciones: los remedios buscan interrumpir la película de aceite inestable. Las opciones incluyen aumentar la carga del cojinete, corregir la viscosidad del aceite y rediseñar el cojinete con una geometría anti-whirl — de forma elíptica (lemon-bore), con presurización (pressure-dam), o diseños multilóbulos y de patas basculantes que rompen la circulación simétrica de la película. Instalar un amortiguador de película de aceite puede añadir amortiguamiento estabilizador en algunas máquinas.
Confirmar un diagnóstico en campo significa medir el pico subsíncrono y su fase, y descartar primero a los culpables síncronos — el desbalance y la desalineación — primero. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A captura la amplitud y fase a lo largo de la espectro de vibración y verifica si el componente 1× es aceptable; si el 1× residual está limpio pero persiste un pico fuerte de ~0.45× y sigue la velocidad, el problema es una inestabilidad de película de fluido como el oil whirl, no un fallo de balanceo — y la solución está en el cojinete, no en los pesos de corrección. Las frecuencias características de inestabilidad pueden verificarse con una Calculadora de frecuencias de cojinetes de fricción (Oil Whirl y Oil Whip).
