Comprensión de los amortiguadores de película de compresión
Definición: ¿Qué es un amortiguador de película delgada?
A amortiguador de película de compresión (SFD) es un pasivo mojadura Dispositivo utilizado en maquinaria rotativa para disipar la energía vibracional y controlar vibración amplitudes, particularmente en velocidades críticas. El amortiguador consiste en una fina película de aceite contenida en un espacio anular que rodea la carcasa del rodamiento. Cuando el rodamiento (y el componente unido) rotorCuando vibra, la carcasa del cojinete oscila dentro de la holgura del amortiguador, comprimiendo la película de aceite. La resistencia viscosa a este movimiento de compresión disipa energía, proporcionando amortiguación al sistema del rotor sin añadir una rigidez significativa.
Los amortiguadores de película fluida se utilizan ampliamente en motores de aeronaves, turbinas de gas industriales y otra maquinaria de alta velocidad donde se necesita una mayor amortiguación para controlar las vibraciones y prevenirlas. inestabilidades del rotor.
Principio de funcionamiento físico
La acción de apretar
A diferencia de cojinetes de deslizamiento Mientras que la película de aceite soporta una carga radial constante, los amortiguadores de película de compresión funcionan mediante compresión cíclica:
- Vibración del rotor: Un rotor desequilibrado genera fuerzas vibratorias en el cojinete.
- Moción de Vivienda: La carcasa del cojinete oscila radialmente dentro de la holgura del amortiguador.
- Extracción de la película de aceite: A medida que la carcasa se mueve hacia adentro, la película de aceite se comprime; a medida que se mueve hacia afuera, la película se expande.
- Resistencia viscosa: El aceite se resiste a ser expulsado, creando una fuerza de amortiguación.
- Disipación de energía: La energía vibracional se convierte en calor en el aceite.
Diferencia clave con los cojinetes de muñón
- Cojinete de diario: Transmite cargas estáticas y dinámicas mediante la presión de la película de aceite; tanto rigidez como amortiguación.
- Amortiguador de película de compresión: Proporciona únicamente amortiguación, rigidez mínima; no soporta cargas constantes.
- Combinación: Rodamiento de elementos rodantes (soporta la carga) + amortiguador de flujo de aire (proporciona amortiguación) = sistema óptimo para algunas aplicaciones
Construcción y Diseño
Componentes básicos
- Pista interior (alojamiento del rodamiento): Superficie exterior de la carcasa del rodamiento de elementos rodantes, libre para moverse radialmente
- Pista exterior (carcasa del amortiguador): Carcasa fija con orificio cilíndrico preciso
- Espacio libre anular: Espacio radial entre las pistas interior y exterior (normalmente de 0,1 a 0,5 mm)
- Suministro de petróleo: Aceite a presión introducido en el espacio libre
- Sellos de extremo: Juntas tóricas u otros sellos para contener el aceite axialmente
- Elementos de centrado: Muelles o elementos de retención para evitar movimientos excesivos
Parámetros de diseño
- Holgura radial (c): Determina el coeficiente de amortiguamiento (menor = mayor amortiguamiento)
- Longitud (L): Longitud axial del amortiguador (a mayor longitud, mayor amortiguación)
- Diámetro (D): Diámetro del amortiguador (mayor = mayor amortiguación)
- Viscosidad del aceite (µ): Mayor viscosidad = mayor amortiguación
- Tipo de sello final: Afecta a las fugas de aceite y a la amortiguación efectiva.
Ventajas de los amortiguadores de película fina
- Añade amortiguación sin rigidez: Aumenta la disipación de energía sin elevar significativamente las velocidades críticas.
- Reduce la vibración a velocidad crítica: Limita las amplitudes de resonancia a niveles seguros.
- Previene inestabilidades: Ayuda a prevenir remolino de aceite, látigo de eje, y otras vibraciones autoexcitadas
- Aísla las fuerzas transmitidas: Reduce la vibración transmitida a los cimientos.
- Da cabida a personas en tránsito: Ayuda a controlar las vibraciones durante el arranque, la parada y los cambios de carga.
- Capacidad de modernización: Se puede añadir a las máquinas existentes sin necesidad de un rediseño importante.
- Funcionamiento pasivo: No requiere sistema de control ni alimentación eléctrica.
Aplicaciones
Turbinas de gas para aeronaves
- Prácticamente universal en los motores de aeronaves modernos
- Esencial para controlar las vibraciones durante los pasos a velocidad crítica.
- Permite el uso de rodamientos en aplicaciones de alta velocidad.
- Diseño compacto y ligero, fundamental para la industria aeroespacial.
Turbinas de gas industriales
- Se utiliza en combinación con cojinetes de rodillos o de almohadilla basculante.
- Controla las vibraciones durante los arranques y las paradas.
- Reduce la vibración transmitida a la estructura de soporte.
Compresores de alta velocidad
- Proporciona una amortiguación adicional más allá de la amortiguación del cojinete.
- Previene inestabilidades en condiciones de carga ligera.
- Permite un rango operativo más amplio
Aplicaciones de modernización
- Se añade a la maquinaria existente con vibración excesiva a velocidad crítica.
- Solución cuando el equilibrado y la alineación no reducen adecuadamente la vibración
- Alternativa a la modificación importante del rotor o los cojinetes
Consideraciones de diseño
Cálculo del coeficiente de amortiguamiento
La fuerza de amortiguación proporcionada por un amortiguador de película delgada es aproximadamente:
- Fmojadura = C × velocidad
- Donde el coeficiente de amortiguamiento C ∝ (µ × D × L³) / c³
- Altamente sensible a la holgura (c): reducir la holgura a la mitad aumenta la amortiguación 8 veces.
- El diseño de una amortiguación óptima requiere una cuidadosa selección de parámetros.
Muelles de centrado
- Objetivo: Evitar que el amortiguador haga tope (contacto metal con metal).
- Selección de rigidez: Debe ser lo suficientemente blando para permitir el movimiento del amortiguador, pero lo suficientemente rígido para mantener el centro.
- Tipos comunes: Jaula de ardilla (múltiples alambres circunferenciales), resortes helicoidales, elementos elastoméricos
Suministro y drenaje de petróleo
- Suministro de aceite a presión para mantener la película (normalmente de 1 a 5 bar).
- Caudal adecuado para eliminar el calor generado
- Un drenaje adecuado para prevenir inundaciones de petróleo
- Ventilación para evitar la cavitación en la película
Desafíos y limitaciones
Desafíos de diseño
- Cavitación: La película de aceite puede cavitar (formar burbujas de vapor), reduciendo la amortiguación efectiva.
- Ingestión de aire: El aire atrapado reduce la eficacia de la amortiguación.
- Dependencia de la frecuencia: La eficacia de la amortiguación varía con la frecuencia de vibración.
- Comportamiento no lineal: El rendimiento varía con la amplitud (los movimientos amplios pueden superar la holgura).
Desafíos operativos
- Sensibilidad a la temperatura: Los cambios en la viscosidad del aceite con la temperatura afectan la amortiguación.
- Requisitos de limpieza: La contaminación puede bloquear el suministro o dañar las superficies.
- Dependencia del suministro de petróleo: La pérdida de presión de aceite elimina la amortiguación.
- Desgaste de sellos: Los sellos de los extremos se degradan con el tiempo, reduciendo su eficacia.
Requisitos de mantenimiento
- Controle la presión y la temperatura del suministro de aceite.
- Inspeccione periódicamente los sellos de los extremos.
- Verificar las holguras adecuadas durante las revisiones.
- Comprobar el estado del resorte de centrado
- Limpie los conductos de aceite y los filtros.
Diseños avanzados
Amortiguadores de anillos de pistón
- Utilice segmentos de pistón en lugar de juntas tóricas.
- Permita cierta fuga de aceite para una mejor distribución de la presión.
- Reducir la tendencia a la cavitación
Amortiguadores abiertos
- Sin juntas en los extremos, el aceite fluye axialmente
- Diseño más sencillo, sin problemas de desgaste de las juntas
- Requieren mayores caudales de aceite.
- Características de amortiguación más consistentes
Amortiguadores integrales
- Se forma una película amortiguadora entre el respaldo del rodamiento y la carcasa.
- Sin componente amortiguador separado
- Compacto pero con capacidad de amortiguación limitada
Eficacia y rendimiento
Reducción de las vibraciones
- Puede reducir la vibración a velocidad crítica en un 50-80%
- Particularmente eficaz para controlar la resonancia
- Amplía los picos de velocidad crítica (los hace menos pronunciados).
- Permite un paso más seguro a velocidades críticas.
Mejora de la estabilidad
- Aumenta la velocidad umbral para inestabilidades
- Puede prevenir remolino de aceite cuando se utiliza con rodamientos de elementos rodantes
- Añade amortiguación positiva para contrarrestar las fuerzas desestabilizadoras.
Herramientas de diseño y análisis
Un diseño adecuado del amortiguador de película lubricante requiere:
- Análisis dinámico del rotor: Modelado integrado del sistema rotor-cojinete-amortiguador
- Análisis de películas fluidas: Soluciones de la ecuación de Reynolds para la distribución de presión
- Análisis no lineal: Considerar la cavitación y el comportamiento dependiente de la amplitud
- Análisis térmico: Temperatura del aceite y disipación de calor
- Software especializado: Herramientas como DyRoBeS y XLTRC incluyen modelos SFD.
Cuándo usar amortiguadores de película extensible
Aplicaciones recomendadas
- Maquinaria de alta velocidad: Funcionamiento cerca o por encima de velocidades críticas
- Sistemas de rodamientos de elementos rodantes: Añadir amortiguación donde los cojinetes proporcionan una amortiguación mínima.
- Rotores flexibles: Funcionamiento por encima de la primera velocidad crítica
- Problemas de estabilidad: Cuando las inestabilidades del rotor representan un riesgo
- Control de vibraciones transitorias: Reducción de la vibración durante el arranque y la parada
No recomendado cuando
- Funcionamiento a baja velocidad donde la amortiguación no es crítica.
- Las limitaciones de espacio impiden la instalación.
- El sistema de suministro de petróleo no está disponible o no es fiable.
- Recursos de mantenimiento limitados (los amortiguadores requieren mantenimiento del sistema de aceite)
- Soluciones más sencillas (equilibrio, alineación) adecuadas
Los amortiguadores de película fluida representan una solución elegante para el control de vibraciones en maquinaria rotativa de alta velocidad. Al proporcionar una amortiguación significativa sin aumentar la rigidez, permiten el funcionamiento a velocidades críticas, previenen inestabilidades destructivas y amplían el rango operativo de los equipos rotativos, manteniendo diseños compactos y pasivos.
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