Comprensión de los amortiguadores de película de aceite
A amortiguador de película de aceite (SFD) es un dispositivo pasivo amortiguamiento utilizado en maquinaria rotativa para disipar energía vibratoria y controlar vibración amplitudes — sobre todo durante el paso por velocidades críticas. Consiste en una película delgada de aceite atrapada en un estrecho juego anular que rodea un soporte de rodamiento. Cuando el rodamiento y su rotor vibran, el soporte oscila dentro de ese juego y comprime la película de aceite; la resistencia viscosa a ser comprimida disipa energía y amortigua el sistema del rotor sin añadir rigidez significativa. Los amortiguadores de película de aceite se encuentran en motores aeronáuticos, turbinas de gas industriales y otros equipos de alta velocidad donde se necesita amortiguamiento adicional para domar la resonancia y prevenir inestabilidades del rotor.
1. Principio físico de funcionamiento
La acción de compresión
A diferencia de un cojinete de fricción, cuya película de aceite soporta una carga radial constante, un amortiguador de película de aceite funciona mediante la compresión cíclica de una película que no soporta carga estática:
- Vibración del rotor: un rotor desbalanceado o excitado de otra manera aplica fuerzas oscilantes al rodamiento.
- Movimiento del soporte: el soporte del rodamiento orbita u oscila radialmente dentro del juego del amortiguador.
- Compresión de la película de aceite: a medida que el soporte se mueve hacia adentro, la película se comprime; a medida que se mueve hacia afuera, la película se expande.
- Resistencia viscosa: el aceite resiste ser expulsado del espacio, generando una fuerza de amortiguamiento proporcional a la velocidad.
- Disipación de energía: la energía vibratoria se convierte en calor en el aceite y es llevada lejos por el flujo de suministro.
Dado que la fuerza resistente es proporcional a la velocidad y no al desplazamiento, el amortiguador se opone movimiento sin actuar como un resorte: la característica definitoria que separa el amortiguamiento de la rigidez.
Cómo difiere de un cojinete de fricción
- Cojinete de fricción: soporta cargas estáticas y dinámicas a través de la presión de la película hidrodinámica, contribuyendo tanto con rigidez como con amortiguamiento.
- Amortiguador de película de aceite: proporciona amortiguamiento con rigidez mínima y no soporta carga constante.
- Combinación: un rodamiento de elementos rodantes (para soportar la carga) más un amortiguador de película de aceite (para proporcionar amortiguamiento) forman una combinación ideal para muchos diseños de alta velocidad, ya que los rodamientos de rodillos aportan casi ningún amortiguamiento propio.
2. Construcción y diseño
Componentes básicos
- Pista interior (soporte del rodamiento): la superficie exterior del soporte del rodamiento de elementos rodantes, libre para moverse radialmente.
- Pista exterior (soporte del amortiguador): un soporte estacionario con un orificio cilíndrico preciso.
- Juego anular: el espacio radial entre las pistas interior y exterior, típicamente de 0,1 a 0,5 mm.
- Suministro de aceite: aceite presurizado alimentado al espacio del juego.
- Sellos de extremo: juntas tóricas o sellos similares que contienen el aceite axialmente.
- Elementos de centrado: resortes o características de retención que previenen el movimiento excesivo y mantienen el muñón del eje concéntrico en reposo.
Parámetros de diseño
- Juego radial (c): establece el coeficiente de amortiguamiento: un espacio más pequeño proporciona mucho más amortiguamiento.
- Longitud (L): la longitud axial del amortiguador: una mayor longitud proporciona más amortiguamiento.
- Diámetro (D): un diámetro mayor proporciona más amortiguamiento.
- Viscosidad del aceite (µ): una mayor viscosidad proporciona más amortiguamiento.
- Tipo de sello de extremo: gobierna la fuga axial de aceite y, por lo tanto, el amortiguamiento efectivo.
3. El coeficiente de amortiguamiento
La fuerza de amortiguamiento que produce un amortiguador de película de aceite, en primera aproximación, es:
Famortiguamiento = C × velocidad, donde el coeficiente de amortiguamiento C ∝ (µ · D · L³) / c³.
La dependencia cúbica con respecto al juego es el dato principal: el coeficiente varía con 1/c³, por lo que reducir a la mitad el juego multiplica el amortiguamiento aproximadamente ocho veces. Esa extrema sensibilidad es un arma de doble filo: le da al diseñador una gran palanca, pero también significa que las tolerancias de fabricación, la dilatación térmica y el desgaste del alojamiento tienen un efecto desproporcionado en el rendimiento real. Elegir el espesor óptimo de la película es, por tanto, la decisión de diseño central, y se toma de la mano con la predicción del rotor’s modos de vibración.
Muelles centradores
- Propósito: para evitar que el amortiguador “toque fondo” con contacto metal contra metal cuando el movimiento es grande.
- Selección de rigidez: suficientemente blandos para permitir que el amortiguador se mueva y cumpla su función, pero lo suficientemente rígidos para mantener el muñón centrado bajo la gravedad y las cargas laterales estáticas.
- Tipos comunes: el muelle de jaula de ardilla (un anillo de elementos de viga circunferenciales), muelles helicoidales y elementos elastoméricos.
Alimentación y drenaje de aceite
- Una alimentación presurizada, típicamente de 1 a 5 bar, para mantener el juego lleno.
- Un caudal adecuado para disipar el calor que genera la película.
- Un drenaje adecuado para evitar inundaciones de aceite y sobrepresión.
- Ventilación de aire para evitar cavitación dentro de la película.
4. Ventajas de los amortiguadores de película de aceite
- Añade amortiguamiento sin rigidez: aumenta la disipación de energía sin desplazar significativamente las velocidades críticas del rotor’s.
- Reduce la vibración en la velocidad crítica: mantiene resonancia las amplitudes en niveles seguros.
- Evita inestabilidades: ayuda a suprimir oil whirl, oil whip y otras vibraciones autoexcitadas.
- Aísla la fuerza transmitida: reduce la vibración que se transmite a la cimentación y la estructura circundante.
- Se adapta a transitorios: controla la vibración durante el arranque, la parada y los cambios de carga.
- Capacidad de adaptación (retrofit): puede añadirse a máquinas existentes sin un rediseño mayor.
- Operación pasiva: no necesita sistema de control ni alimentación externa, solo una alimentación de aceite.
5. Aplicaciones
Turbinas de gas aeronáuticas
- Casi universal en motores aeroespaciales modernos.
- Esencial para controlar la vibración durante el paso por velocidades críticas en el arranque.
- Hace viables los rodamientos de rodillos en aplicaciones de muy alta velocidad.
- Diseño compacto y ligero: una ventaja decisiva para la aeroespacial.
Turbinas de gas industriales
- Se usa junto con rodamientos de rodillos o cojinetes de patas basculantes.
- Controla la vibración durante arranques y paradas frecuentes.
- Reduce la vibración transmitida a la estructura de soporte.
Compresores de alta velocidad
- Añaden amortiguamiento más allá de lo que proporcionan los cojinetes por sí solos.
- Evitan inestabilidades en condiciones de carga ligera.
- Amplían el rango de operación utilizable.
Aplicaciones de adaptación (retrofit)
- Se instalan en maquinaria existente que sufre vibración excesiva en la velocidad crítica.
- Un remedio cuando el balanceo y la alineación por sí solos no pueden reducir la vibración lo suficiente.
- Una alternativa al costoso rediseño del rotor o de los cojinetes.
6. Desafíos y Limitaciones
Desafíos de diseño
- Cavitación: la película puede cavitarse — formar burbujas de vapor — lo que reduce el amortiguamiento efectivo.
- Ingestión de aire: el aire arrastrado ablanda la película y reduce el amortiguamiento.
- Dependencia de la frecuencia: la eficacia del amortiguamiento cambia con la frecuencia de vibración.
- Comportamiento no lineal: el rendimiento varía con la amplitud, y las órbitas grandes que se acercan al límite del juego se comportan de manera muy no lineal.
Desafíos operativos
- Sensibilidad a la temperatura: la viscosidad del aceite disminuye a medida que aumenta la temperatura, lo que reduce directamente el amortiguamiento.
- Limpieza: la contaminación puede obstruir el suministro o rayar las superficies de precisión.
- Dependencia del suministro de aceite: la pérdida de presión de aceite elimina por completo el amortiguamiento.
- Desgaste de los sellos: los sellos de extremo se degradan con el tiempo, reduciendo gradualmente la eficacia.
Requisitos de mantenimiento
- Monitorear la presión y la temperatura del suministro de aceite.
- Inspeccionar los sellos de extremo periódicamente.
- Verificar los juegos durante las revisiones mayores.
- Comprobar el estado de los resortes centradores.
- Limpiar los conductos y filtros de aceite.
7. Diseños avanzados
Amortiguadores de anillos de pistón
- Usan anillos de pistón en lugar de sellos de junta tórica.
- Permiten una fuga controlada de aceite para una mejor distribución de la presión.
- Reducen la tendencia a cavitarse.
Amortiguadores de extremo abierto
- Sin sellos de extremo: el aceite fluye libremente en la dirección axial.
- Un diseño más simple sin problemas de desgaste de sellos.
- Requieren caudales de aceite más altos.
- Proporcionan un amortiguamiento más constante y predecible.
Amortiguadores integrados
- La película de amortiguamiento se forma directamente entre la parte posterior del cojinete y su soporte.
- No se necesita un componente de amortiguador separado.
- Compactos, pero limitados en el amortiguamiento que pueden proporcionar.
8. Eficacia y rendimiento
Reducción de vibraciones
- Pueden reducir la vibración en la velocidad crítica entre un 50 % y un 80 %.
- Particularmente eficaces para controlar la resonancia.
- Amplían el pico de la velocidad crítica, haciéndolo menos agudo.
- Permiten un paso más seguro y tranquilo a través de las velocidades críticas, visible como un pico más plano en un Gráfica de Bode durante el arranque.
Mejora de la estabilidad
- Aumenta la velocidad de inicio (umbral) para inestabilidades.
- Puede prevenir oil whirl cuando se combinan con rodamientos de rodillos.
- Añade amortiguamiento positivo que contrarresta las fuerzas cruzadas desestabilizadoras.
9. Diseño, análisis y verificación en campo
Diseñar correctamente un amortiguador de película de aceite requiere un estudio integrado de todo el sistema rotor-rodamiento:
- Análisis de dinámica de rotores: modelar el rotor, los cojinetes y el amortiguador juntos para predecir la respuesta y la estabilidad.
- Análisis de película de fluido: soluciones de la ecuación de Reynolds para la distribución de presión en la película.
- Análisis no lineal: teniendo en cuenta la cavitación y el comportamiento dependiente de la amplitud.
- Análisis térmico: aumento de la temperatura del aceite y disipación de calor.
- Software especializado: los paquetes de roto-dinámica como DyRoBeS y XLTRC incluyen modelos de amortiguadores de película de aceite.
Por bueno que sea el diseño, su función real es mantener la vibración medida dentro de límites aceptables, y eso se confirma en la máquina en funcionamiento, no en el papel. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A es la herramienta práctica para esa verificación: con acelerómetros en los soportes de los rodamientos captura la amplitud y fase a través de un arranque o paro por inercia, permitiendo al ingeniero observar cuán ancha y baja es realmente la punta de la velocidad crítica amortiguada y confirmar que el rotor pasa por la resonancia de forma segura. Si el desbalance residual está alimentando la resonancia, el mismo instrumento puede balanceo en campo el rotor — porque incluso el mejor amortiguador funciona mejor cuando la fuerza que debe absorber se minimiza primero.
10. Cuándo usar — y cuándo no
Aplicaciones recomendadas
- Maquinaria de alta velocidad: funcionamiento cerca o por encima de las velocidades críticas.
- Sistemas con rodamientos de rodillos: donde los propios rodamientos proporcionan poco amortiguamiento.
- Rotores flexibles: funcionamiento por encima de la primera velocidad crítica.
- Problemas de estabilidad: donde las inestabilidades del rotor son un riesgo real.
- Control transitorio: reducción de la vibración durante el arranque y la parada.
No recomendado cuando
- El funcionamiento es a baja velocidad y el amortiguamiento no es crítico.
- Las restricciones de espacio impiden la instalación.
- No hay disponible un sistema fiable de suministro de aceite.
- Los recursos de mantenimiento son limitados — los amortiguadores añaden un sistema de aceite que mantener.
- Medidas más simples, como un balanceo o de la alineaciónpreciso, ya hacen el trabajo.
El amortiguador de película de aceite es una respuesta elegante al control de vibraciones en maquinaria rotativa de alta velocidad. Al proporcionar un amortiguamiento sustancial con casi ninguna rigidez añadida, permite un funcionamiento seguro a través de las velocidades críticas, suprime inestabilidades destructivas y amplía el margen de operación, todo ello en un paquete compacto y pasivo que no requiere más que un suministro limpio y constante de aceite.
