Comprensión de un rotor flexible
A rotor flexible es un rotor que se dobla o se deforma bajo la fuerza centrífuga cuando funciona a su velocidad máxima o cerca de ella velocidades críticas. A diferencia de un rotor rígido —que puede equilibrarse una sola vez a baja velocidad y se mantiene equilibrado en todo su rango de funcionamiento— un rotor flexible desequilibrar La distribución cambia a medida que su forma varía con la velocidad. Este simple hecho hace que equilibrar un rotor flexible sea una tarea considerablemente más compleja. Como regla general, se considera que un rotor es flexible cuando su velocidad máxima de servicio alcanza 70% o más de su primera velocidad crítica de flexión.
1. Definición: ¿Qué es un rotor flexible?
La característica definitoria es la variación de la forma en función de la velocidad. Un rotor rígido mantiene su geometría, por lo que una corrección realizada a baja velocidad sigue siendo válida en cualquier punto. Un rotor flexible, por el contrario, se deforma de forma apreciable a medida que se aproxima a una velocidad crítica, y esa deformación desplaza su centro de gravedad efectivo. El umbral del 70 % es el límite práctico que utilizan las normas de equilibrado para determinar qué tratamiento necesita un rotor concreto, y es la primera cuestión que hay que resolver antes de elegir cualquier estrategia de corrección.
2. Por qué los rotores flexibles se comportan de manera diferente
Hay dos conceptos relacionados que explican esta diferencia: las velocidades críticas y las formas modales.
- Velocidad crítica: una velocidad de rotación que coincide con una de las frecuencias naturales del rotor. En ese momento, el rotor entra en resonancia, y hasta el más mínimo desequilibrio se amplifica enormemente, lo que obliga al rotor a deformarse.
- Forma del modo: la forma característica que adopta el rotor al pasar por un punto crítico determinado. El primer punto crítico produce una simple curva semisinusoidal con una deflexión máxima en el centro del vano; el segundo produce una onda sinusoidal completa con un punto fijo nodo en el centro; los modos superiores añaden más nodos.
A medida que un rotor flexible va acelerando, la flexión desplaza la ubicación de su centro de masa. Un desequilibrio que se sitúa en una posición efectiva a baja velocidad puede actuar desde una posición muy diferente a alta velocidad. Por consiguiente, un simple equilibrado en dos planos realizado a baja velocidad no garantiza un funcionamiento fluido a la velocidad de servicio, ni un paso seguro por los puntos críticos hasta alcanzarla; la corrección a baja velocidad puede incluso empeorar la situación a alta velocidad.
3. Equilibrado de rotores flexibles
El equilibrado de un rotor flexible es una tarea especializada que requiere técnicas y equipos avanzados, tal y como se establece en normas como ISO 21940-12 (la norma moderna que sustituye a la antigua familia ISO 1940, que abarcaba los rotores rígidos). El objetivo no es equilibrar el rotor para una sola velocidad, sino garantizar su funcionamiento fluido en todo el rango de funcionamiento, incluido el paso por cada punto crítico. Los dos enfoques principales son:
- Equilibrio modal: un método eficaz que trata cada modo de flexión como un problema de desequilibrio independiente. Se colocan contrapesos en varios planos a lo largo del rotor para contrarrestar específicamente las fuerzas de cada forma modal. Para corregir el primer modo, los contrapesos se colocan en el punto medio del tramo, donde la flexión es mayor; para corregir el segundo modo, los contrapesos se distribuyen a ambos lados del nodo central, de modo que contrarresten ese modo sin afectar al primero.
- Coeficiente de influencia método (multivelocidad, multiplano): el rotor funciona a varias velocidades, incluidas algunas cercanas a las críticas, con pesas de prueba aplicado en múltiples planos de corrección. Las respuestas medidas conforman una matriz de coeficientes de influencia que describe cómo reacciona el rotor, y el software resuelve esa matriz para obtener el conjunto óptimo de pesos en todos los planos a la vez. Esta es la base de equilibrio multiplano.
En la práctica, este trabajo suele requerir una máquina equilibradora de alta velocidad capaz de hacer pasar el rotor por sus puntos críticos de forma segura, junto con un software capaz de realizar los cálculos matriciales. Las tolerancias requeridas y los objetivos modales pueden determinarse de antemano mediante un Calculadora de tolerancias de equilibrado para rotores flexibles (ISO 21940).
4. Dónde se sitúa el límite sobre el terreno
Muchas máquinas industriales se sitúan holgadamente por debajo del umbral del 70 % y se comportan como rotores rígidos, por lo que pueden equilibrarse in situ a la velocidad de funcionamiento. Para ellas, un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la amplitud y la fase de 1X, calcula los coeficientes de influencia del rotor y realiza el equilibrado en uno o dos planos equilibrado de campo en los propios cojinetes de la máquina, sin necesidad de una máquina de equilibrado ni de desmontar el rotor. La clave desde el punto de vista técnico es saber reconocer cuándo un rotor entra en la zona de flexibilidad: una vez que la velocidad de servicio se aproxima a ese primer punto crítico de flexión, la corrección a una sola velocidad ya no es suficiente y se hacen necesarios los métodos de múltiples velocidades y múltiples planos mencionados anteriormente.
5. Ejemplos de rotores flexibles
Los rotores flexibles son habituales en aplicaciones en las que la velocidad es elevada o los ejes son largos y delgados, entre ellas:
- Grandes generadores de turbinas de vapor y gas
- Turbocompresores de alta velocidad
- Ejes largos y delgados y rodillos en máquinas de papel
- Husillos de máquinas herramienta de alta velocidad
En todos los casos, el diseño y el mantenimiento se rigen por el mismo principio: cuanto más se aproxima la velocidad de funcionamiento a una velocidad crítica de flexión, más depende la forma del rotor —y, por lo tanto, su estado de equilibrado— de la velocidad, y más sofisticado debe ser el método de equilibrado.
