Explicación de la velocidad crítica en la dinámica del rotor
Definición: ¿Qué es una velocidad crítica?
A velocidad crítica es una velocidad de rotación que coincide con la frecuencia natural de vibración de un rotor. Cuando una máquina opera a una de sus velocidades críticas o cerca de ella, se produce el fenómeno de resonancia Esto provoca una amplificación drástica y a menudo peligrosa de la vibración del rotor, ya que incluso un pequeño desequilibrio residual puede generar enormes fuerzas centrífugas. Cada sistema de rotor tiene múltiples velocidades críticas, correspondientes a sus diferentes modos de vibración (p. ej., primer modo de flexión, segundo modo de flexión, etc.).
¿Por qué es tan importante la velocidad crítica?
Comprender y gestionar las velocidades críticas es uno de los aspectos fundamentales del diseño y análisis de maquinaria rotativa. Operar una máquina a una velocidad crítica, incluso por un corto periodo, puede ser catastrófico. Las consecuencias incluyen:
- Vibración excesiva: Las amplitudes pueden aumentar en un factor de 10, 20 o incluso más, dependiendo de la amortiguación del sistema.
- Falla del componente: La alta vibración y la desviación del eje pueden provocar fallas en los cojinetes, daños en los sellos y rozamientos entre piezas giratorias y estacionarias.
- Falla catastrófica del eje: En casos graves, las tensiones de flexión pueden superar el límite de fatiga del material, provocando que el eje se agriete o se rompa.
- Peligros de seguridad: Una falla de una máquina a alta velocidad representa un riesgo significativo para el personal y los equipos circundantes.
Por estas razones, la maquinaria siempre está diseñada para funcionar con un “margen de separación”, lo que significa que su velocidad normal de funcionamiento se mantiene intencionalmente a una distancia segura de cualquier velocidad crítica.
Rotores rígidos vs. flexibles
El concepto de velocidad crítica es lo que distingue un rotor “rígido” de uno “flexible”:
- Rotor rígido: Un rotor que opera *por debajo* de su primera velocidad crítica. Su eje no sufre una flexión significativa durante el funcionamiento. Estos suelen ser rotores más lentos y robustos.
- Rotor flexible: Un rotor diseñado para operar *por encima* de su primera (y a veces segunda o tercera) velocidad crítica. Su eje se flexiona y dobla al pasar por las velocidades críticas durante el arranque y la parada. Los rotores delgados de alta velocidad, como los de turbinas y compresores, son rotores flexibles.
Gestión de velocidades críticas en la operación de la máquina
Dado que a menudo no es práctico diseñar una máquina de alta velocidad que se mantenga por debajo de su primera velocidad crítica, los ingenieros utilizan varias estrategias para gestionarlas:
1. Margen de separación
La estrategia más común es asegurar que la velocidad de operación continua de la máquina no se acerque demasiado a ninguna velocidad crítica. Un margen de separación típico es de ±20-30%. Por ejemplo, si la velocidad crítica es de 3000 RPM, la máquina no debe operar continuamente entre 2400 y 3600 RPM.
2. Aceleración/desaceleración rápida
Para rotores flexibles que deben superar velocidades críticas, los procedimientos de arranque y parada están diseñados para superar los rangos de velocidad crítica lo más rápido posible. Permanecer a una velocidad crítica permite que las amplitudes de vibración alcancen niveles peligrosos. Un paso rápido minimiza el tiempo necesario para que se produzca esta amplificación.
3. Amortiguación
La amortiguación es la disipación de la energía vibracional y es lo que limita la amplitud máxima en resonancia. Los rodamientos, especialmente los de película fluida, son una fuente principal de amortiguación en los sistemas de rotor. Al optimizar el diseño de los rodamientos, los ingenieros pueden controlar el pico de vibración a la velocidad crítica a un nivel seguro y manejable.
4. Equilibrado de precisión
La vibración a una velocidad crítica es una respuesta amplificada al desequilibrio. Cuanto mejor equilibrado esté un rotor, menor será la función de forzamiento y, por lo tanto, menor será la vibración máxima al pasar por la velocidad crítica. Para rotores flexibles, se requieren técnicas especiales de equilibrado multiplano.
¿Cómo se identifican las velocidades críticas?
Las velocidades críticas se identifican utilizando varios métodos:
- Análisis dinámico del rotor (RDA): Durante la fase de diseño se crean modelos de computadora (que a menudo utilizan análisis de elementos finitos) para predecir las velocidades críticas y las formas modales de un rotor.
- Pruebas de aceleración y desaceleración: El método experimental más común. La amplitud y la fase de la vibración se grafican en función de la velocidad al arrancar o apagar una máquina. La velocidad crítica se identifica mediante un pico distintivo de amplitud acompañado de un desfase característico de 180 grados. Estas pruebas generan gráficos de diagnóstico como el... Diagrama de Bode y Parcela de cascada.
- Prueba de impacto (prueba de impacto): Golpear el rotor con un martillo instrumentado cuando está en reposo puede excitar sus frecuencias naturales, que corresponden a las velocidades críticas.