Explicación de la velocidad crítica en la dinámica del rotor
A velocidad crítica es una velocidad de rotación a 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 afianza, e incluso una cantidad microscópica de desequilibrio 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, etc. - también tiene múltiples velocidades críticas. Predecir estas velocidades, separarse de ellas y atravesarlas con seguridad es uno de los problemas centrales de dinámica del rotor.
1. Definición: ¿Qué es la velocidad crítica?
Un rotor giratorio es, en efecto, un sistema de masa y rigidez, y como cualquier sistema de este tipo, tiene frecuencias preferidas en las que quiere vibrar. La velocidad de rotación proporciona una entrada forzada de desequilibrio una vez por revolución. Cuando la velocidad de marcha coincide con una frecuencia natural, la entrada de fuerza llega en perfecto sincronismo con la propia oscilación del rotor, la energía se acumula ciclo tras ciclo y la amplitud aumenta drásticamente. Ese punto de coincidencia es la velocidad crítica.
La forma que adopta el rotor al girar a una velocidad crítica es su forma modal, y el movimiento de precesión lateral que se desarrolla es la familia de comportamientos descrita en remolino y latigazo. Lo más importante es que la velocidad crítica no es una propiedad del desequilibrio: el desequilibrio simplemente la excita es. La velocidad viene determinada por la masa del rotor, su geometría y la rigidez de su eje y soportes.
2. Por qué es tan importante la velocidad crítica
El funcionamiento de una máquina a una velocidad crítica, aunque sea brevemente, puede ser catastrófico. Las consecuencias incluyen:
- Vibración excesiva: Las amplitudes pueden multiplicarse por 10, 20 o más, dependiendo del amortiguación que tiene el sistema.
- Fallo de un componente: las elevadas vibraciones y la desviación del eje provocan fallos en los rodamientos, daños en las juntas y roces entre piezas giratorias y fijas.
- Fallo catastrófico del eje: en casos graves, el esfuerzo de flexión alternante supera el límite de fatiga del material, agrietando o rompiendo el eje.
- Peligros para la seguridad: un fallo a alta velocidad pone en peligro al personal y a los equipos cercanos.
Por todas estas razones, la maquinaria se diseña con un deliberado margen de separaciónla velocidad normal de funcionamiento continuo se mantiene a una distancia segura de toda velocidad crítica.
3. Rotores rígidos frente a flexibles
La velocidad crítica es precisamente el concepto que divide los rotores en dos clases:
- Rotor rígido: funciona debajo de su primera velocidad crítica. Su eje no se dobla apreciablemente en servicio - típicamente las máquinas más lentas y robustas, equilibradas a ISO 21940-11 tolerancias.
- Rotor flexible: diseñado para funcionar sobre su primera (y a veces segunda o tercera) velocidad crítica. Su eje se flexiona y se dobla al pasar por cada velocidad crítica durante el arranque y la parada. Los rotores esbeltos y de alta velocidad de turbinas y compresores son rotores flexibles, y exigen la equilibrio multiplano técnicas cubiertas en ISO 21940-12.
4. Gestión de las velocidades críticas en funcionamiento
Como a menudo resulta 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 funcionamiento continuo alejada de cualquier velocidad crítica, con un margen típico de ±20-30%. Si una velocidad crítica se sitúa en 3.000 rpm, la máquina no debería funcionar continuamente entre 2.400 y 3.600 rpm aproximadamente.
4.2 Aceleración y desaceleración rápidas
Los rotores flexibles que deben atravesar una velocidad crítica se ponen en marcha y se paran rápidamente a través de la banda de peligro. Si la velocidad crítica se prolonga, la amplitud alcanza niveles peligrosos; si se pasa rápidamente, la resonancia no tiene tiempo de crecer.
4.3 Amortiguación
La amortiguación disipa la energía vibratoria y es lo que limita la amplitud máxima en resonancia. Los cojinetes, especialmente los de película fluida cojinetes de deslizamiento - son una fuente primaria de amortiguación; los amortiguadores de película de compresión añaden más cuando es necesario. La optimización del diseño de los cojinetes mantiene el pico de velocidad crítica en un nivel seguro y manejable.
4.4 Equilibrado de precisión
Dado que la vibración a una velocidad crítica es una respuesta amplificada al desequilibrio, cuanto mejor equilibrado esté un rotor, menor será su función de forzamiento y menor será su pico al pasar por resonancia. En el caso de los rotores flexibles, los métodos modal y multiplano se centran en cada modo por separado.
5. Cómo se identifican las velocidades críticas
Las velocidades críticas se encuentran tanto sobre el papel como en el banco de pruebas:
- Análisis dinámico del rotor (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 sitio Calculadora de velocidad crítica del rotor ofrece una primera estimación rápida de la velocidad crítica más baja de un eje a partir de su geometría y apoyos.
- Pruebas de aceleración y desaceleración: el método experimental más común, en el que la amplitud y la fase se trazan en función de la velocidad durante arranque o coast-down. Una velocidad crítica se manifiesta como un pico de amplitud distinto acompañado del característico ángulo de 180°. fase desfase, que se muestra en un Diagrama de Bode o gráfico de cascada.
- Pruebas de impacto: golpear el rotor estacionario con un martillo instrumentado excita sus frecuencias naturales, que corresponden a sus velocidades críticas — véase prueba de impacto.
En el caso de las máquinas que funcionan a distintas velocidades, la mejor forma de visualizar la relación entre los órdenes de excitación y las frecuencias naturales es en un gráfico de Diagrama de Campbell; puede asignar intersecciones rápidamente con la función Calculadora de diagrama de Campbell.
6. Confirmación del margen sobre el terreno
Predecir una velocidad crítica es sólo la mitad del trabajo; verificar que la máquina real se comporta como se predijo es la otra mitad. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A capta 1× la amplitud y la fase frente a las rpm durante un arranque o una parada por inercia, de modo que la ubicación real de la velocidad crítica y la altura de su pico de resonancia pueden leerse directamente en la traza. Si los datos muestran que la máquina está demasiado cerca de una velocidad crítica, el mismo instrumento permite realizar un equilibrado in situ que reduce la función de forzado y domestica el pico, lo que permite confirmar el margen de separación en los rodamientos en los que el rotor funcionará realmente.
