ISO 21940-12: Procedimientos y tolerancias para rotores con comportamiento flexible
ISO 21940-12 es la norma internacional que aborda el problema más difícil del equilibrado de rotores flexibles — rotores cuya forma y distribución del desequilibrio varían considerablemente con la velocidad, sobre todo al acercarse y al atravesar su punto de flexión velocidades críticas. Su título completo es «Vibraciones mecánicas — Equilibrado de rotores — Parte 12: Procedimientos y tolerancias para rotores con comportamiento flexible». A diferencia de un rotor rígido, que puede equilibrarse una sola vez a baja velocidad y en el que se puede confiar para que mantenga el equilibrio, un rotor flexible equilibrado en reposo puede vibrar violentamente a su velocidad de funcionamiento. Esta norma establece los procedimientos especializados de múltiples velocidades y planos que requieren estos rotores, y es el complemento natural de ISO 21940-11, que rige los rotores rígidos.
1. Ámbito de aplicación y clasificación de los rotores
La norma se aplica a cualquier rotor cuya distribución de desequilibrio y/o forma deformada cambia con la velocidad. La ISO 21940-12 enfoca el trabajo en torno a tipos configuraciones de rotor con comportamiento flexible y los procedimientos de equilibrado adecuados para cada uno, en lugar de un sistema de clases numeradas. El esquema de cinco categorías ampliamente citado que figura a continuación procede en realidad de la norma ISO 11342:1998, ya superada, y sigue siendo una guía útil sobre la complejidad del trabajo; los rotores van desde casi rígidos hasta altamente flexibles:
- Clase 1 — Rotores rígidos: se comportan de forma rígida en todo el rango de velocidades y se tratan conforme a la norma ISO 21940-11.
- Clase 2 — Rotores cuasi-rígidos: se puede equilibrar a baja velocidad, pero es posible que sea necesario un equilibrio de compensación a velocidad de servicio para eliminar cualquier flexión residual.
- Clase 3 — Rotores que requieren equilibrado a varias velocidades: por lo general, pasando por una o varias velocidades críticas, que suelen equilibrarse con la coeficiente de influencia método.
- Clases 4 y 5 — Rotores de gran flexibilidad: como los ejes de grandes turbinas-generadores, que provocan múltiples modos de flexión y requieren técnicas avanzadas balanceo modal para corregir cada modo.
Clasificar un rotor en la categoría correcta permite al analista saber desde el principio cuál será el grado de complejidad del trabajo y qué procedimiento debe seguir.
2. Procedimientos de equilibrado: dos métodos fundamentales
Este capítulo constituye el núcleo técnico de la norma. Su mensaje central es que un equilibrado a baja velocidad por sí solo es insuficiente para un rotor flexible y debe complementarse con trabajo a alta velocidad que tenga en cuenta la flexión del eje. La ISO 21940-12 organiza este trabajo como una familia de procedimientos de equilibrado — procedimientos a baja velocidad (designados de A a F, como el plano único, dos planos y el equilibrado por etapas durante el montaje) y procedimientos a alta velocidad (G a I, realizados a una o más velocidades elevadas). Los procedimientos a alta velocidad se basan en dos técnicas principales:
El método del coeficiente de influencia
Esta técnica versátil y muy utilizada consiste en colocar un peso de prueba en un plano de corrección cada vez y registra el resultado vibración respuesta — ambos amplitud y fase — en múltiples puntos de medición y a diferentes velocidades. Al repetir este proceso para cada plano, se obtiene una matriz de coeficientes de influencia que describe matemáticamente cómo el desequilibrio en cualquier plano afecta a la vibración en cualquier punto y a cualquier velocidad. A continuación, un ordenador invierte esa matriz para determinar el conjunto de masas y ángulos de los contrapesos de corrección que minimizan simultáneamente la vibración en todo el rango de funcionamiento. La misma matemática subyace al trabajo en un solo plano; puedes explorarla de forma interactiva con el Calculadora del coeficiente de influencia.
Balanceo modal
El equilibrio modal es el enfoque más intuitivo desde el punto de vista físico: considera cada flexión mode del rotor como un problema de desequilibrio independiente. El rotor se hace girar a una velocidad crítica seleccionada, o cerca de ella, para excitar al máximo la forma modal correspondiente; a continuación, las mediciones de vibración localizan el «punto pesado» efectivo para ese modo, y se colocan contrapesos en los puntos de máxima deflexión —los antinodos— para contrarrestarlo. El proceso se repite modo por modo para cada modo de flexión significativo dentro del rango de funcionamiento, equilibrando el rotor modo a modo. Los dos métodos no son rivales; las máquinas grandes suelen equilibrarse con un método híbrido que utiliza el conocimiento modal para elegir planos y coeficientes de influencia con el fin de refinar los contrapesos.
3. Especificación de las tolerancias de equilibrio
The simple Grado G La tolerancia que funciona tan bien para los rotores rígidos suele ser insuficiente para los flexibles, ya que un único valor de excentricidad no puede reflejar la flexión dependiente de la velocidad. Por ello, la norma ISO 21940-12 introduce criterios de tolerancia más amplios, que pueden basarse en:
- Limits on the desequilibrio modal residual para cada modo de flexión significativo.
- Limits on the amplitudes absolutas de vibración del eje en determinados puntos y a determinadas velocidades, especialmente a la velocidad de servicio.
- Limits on the fuerzas transmitidas a los cojinetes.
Estos límites basados en la vibración y la fuerza vinculan los criterios de aceptación a normas de severidad en servicio tales como la ISO 20816 serie, en lugar de a una única cifra de desequilibrio residual.
4. Verificación del estado de equilibrado final
La comprobación de un rotor flexible es fundamentalmente diferente a la de uno rígido. Un rotor rígido se comprueba a una sola velocidad; un rotor flexible debe comprobarse para verificar su equilibrio a lo largo de todo su entire rango de funcionamiento. Tras las correcciones finales, el rotor se somete a un run-up, con un control continuo de las vibraciones en puntos clave, como los cojinetes y los puntos de máxima deflexión. El rotor solo se da por bueno si las vibraciones medidas se mantienen por debajo de los límites predefinidos a todas las velocidades, especialmente al pasar por cada velocidad crítica y al permanecer a la velocidad máxima de funcionamiento continuo. Esta comprobación exhaustiva confirma que se ha logrado controlar por completo el comportamiento dinámico del rotor.
5. El ámbito de aplicación y las herramientas prácticas
Aunque gran parte del trabajo con rotores flexibles se lleva a cabo en bancos de equilibrado de alta velocidad, los mismos conocimientos sobre medición de amplitud y fase se aplican a equilibrado de campo y el equilibrado de afinado una vez instalada la máquina. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A captura la amplitud y la fase en los propios cojinetes de la máquina, calcula los coeficientes de influencia y permite al ingeniero aplicar y verificar una corrección de equilibrado a velocidad de funcionamiento sin necesidad de desmontar la máquina —una necesidad frecuente en los rotores cuasi-rígidos de Clase 2 que, aunque superan el equilibrado en taller, siguen flexionándose ligeramente durante el servicio—. Para máquinas medianas y grandes ya instaladas, los procedimientos específicos in situ y las medidas de seguridad de ISO 21940-13 aplicar junto con esta parte.
6. Conceptos clave que hay que recordar
- Comportamiento flexible frente a rígido: Se considera que un rotor es flexible cuando su velocidad de funcionamiento alcanza una fracción significativa —normalmente superior al 70 %— de su primera frecuencia de flexión frecuencia natural. A medida que gira más rápido, las fuerzas centrífugas lo deforman y alteran su desequilibrio.
- Velocidades críticas y formas modales: Es fundamental conocer las velocidades críticas del rotor y las formas que adopta a cada una de ellas; cada modo constituye un problema de equilibrado independiente.
- Multiplanos, multivelocidad: Las correcciones en varios planos, basadas en mediciones realizadas a distintas velocidades, son la norma y no la excepción.
- Equilibrado modal: una estrategia eficaz en la que se añaden contrapesos específicamente para contrarrestar el desequilibrio de cada modo de flexión en sus antinodos.
