Comprensión del rotor en maquinaria rotativa
A rotor es el principal conjunto giratorio del interior de una máquina. Por lo general, consta de un eje central sobre el que se montan otros componentes —impulsores, álabes, imanes o inducidos—, sostenido por cojinetes y diseñado para transmitir par y realizar trabajo útil. El estudio del comportamiento del rotor mientras gira, incluidas sus vibraciones y deformaciones, es dinámica del rotor, un campo fundamental de la ingeniería mecánica. Ya que casi todos los fallos que un ingeniero se propone resolver con análisis de vibraciones que se origina en el rotor o actúa sobre él, teniendo en cuenta que es el punto de partida tanto para el diagnóstico como para el equilibrado.
1. Definición: ¿Qué es un rotor?
En su sentido más amplio, el rotor es todo aquello que gira como un solo conjunto alrededor del eje de la máquina. No se trata únicamente del eje, sino de todo el sistema giratorio —el eje más todas las piezas chavetadas, caladas por contracción, atornilladas o soldadas a él—, junto con los cojinetes y la estructura de soporte que limitan su movimiento; en conjunto, el sistema rotor-cojinete. La distribución de esa masa alrededor del eje y la rigidez del eje en relación con su velocidad de funcionamiento determinan prácticamente todo el comportamiento dinámico del rotor.
2. La clasificación fundamental: rotores rígidos frente a rotores flexibles
La distinción más importante en la dinámica de rotores es si un rotor se comporta como un cuerpo «rígido» o «flexible». Esta clasificación es no no se basa en la rigidez del material, sino en la relación entre la velocidad de funcionamiento de la máquina y la del rotor velocidades críticas — sus frecuencias naturales de flexión. El mismo eje de acero puede ser rígido en una máquina y flexible en otra, simplemente por la velocidad a la que funciona.
Rotores rígidos
Se considera un rotor rígido cuando su velocidad de funcionamiento se sitúa muy por debajo de su primera velocidad crítica de flexión —normalmente por debajo del 70 % de dicha velocidad—. A estas velocidades, el eje no se dobla de forma significativa bajo carga dinámica, y todo el rotor puede considerarse como una única masa rígida.
- Características: suelen ser más cortos y robustos, y funcionan a menor velocidad.
- Equilibrado: se puede corregir por completo con dos planos equilibrado dinámico según los principios de la mecánica de cuerpos rígidos.
- Ejemplos: la mayoría de los motores eléctricos estándar, ventiladores de baja velocidad, muelas abrasivas y muchos impulsores de bombas.
Rotores flexibles
A rotor is flexible cuando está diseñado para funcionar cerca de, a o por encima de una o varias de sus velocidades críticas de flexión. A medida que se acerca a una velocidad crítica, el eje se desvía y se arquea de forma significativa, adoptando una forma curvada característica — su forma modal.
- Características: suelen ser largos y delgados, y funcionan a gran velocidad.
- Equilibrado: El equilibrado en dos planos no es suficiente. Los rotores flexibles necesitan métodos multiplanos que tienen en cuenta la flexión del eje, incluyendo balanceo modal (corrigiendo cada modo de vibración por separado) o de varias velocidades coeficiente de influencia equilibrio.
- Ejemplos: grandes turbinas de vapor y de gas, compresores de alta velocidad, ejes de transmisión largos y rotores de generadores.
El diseño y el análisis de los rotores flexibles es mucho más complejo, ya que su comportamiento dinámico varía con la velocidad. Predecir en qué punto se sitúan esas velocidades críticas es, en sí mismo, una tarea de diseño; un calculadora de la velocidad crítica del rotor ofrece una primera estimación rápida de la primera frecuencia natural de flexión a partir de los datos del eje y la luz entre apoyos.
3. Componentes habituales de un conjunto de rotor
Un rotor es más que un simple eje. Un conjunto típico puede incluir:
- Eje: el elemento central que transmite el par.
- Impulsores, álabes o paletas: componentes que actúan sobre un fluido en bombas, ventiladores y turbinas.
- Inducido / bobinados: la parte giratoria de un motor eléctrico o un generador.
- Muñequillas: las secciones del eje, pulidas a fondo, que se deslizan dentro de un cojinete de muñón.
- Acoplamientos: los cubos que conectan el rotor con la máquina adyacente, que a su vez son una fuente de problemas debido a defectos de acoplamiento.
- Collarines de empuje: componentes que transmiten la fuerza axial a un cojinete de empuje.
- Anillos o planos de equilibrio: the designated planos de corrección donde un peso de corrección se añade durante el equilibrado.
4. Problemas habituales relacionados con los rotores
El análisis de vibraciones se utiliza para detectar una amplia variedad de fallos que se originan en el conjunto del rotor:
- Desequilibrio: el problema más habitual, causado por una distribución desigual de la masa alrededor del eje.
- Eje doblado: una curvatura o deformación física del eje.
- Grieta del eje: una grieta por fatiga en formación que puede provocar un fallo catastrófico.
- Desalineación: aunque se trata estrictamente de un problema entre los rotores, provoca grandes tensiones en el conjunto del rotor.
- Roce entre el rotor y el estator: contacto entre las partes giratorias y fijas de la máquina.
- Flojedad: un ajuste holgado de un componente, como un impulsor, en el eje.
La mayoría de estos se manifiestan como patrones de frecuencia característicos —desequilibrio a una velocidad de funcionamiento de 1×, desalineación a 2×, holgura como una larga serie de armónicos—, lo que permite al analista distinguirlos entre sí sin necesidad de desmontarlos.
5. Equilibrado del rotor sobre el terreno
El desequilibrio, que es con diferencia la avería más frecuente en los rotores, se corrige mediante equilibrando: añadir o retirar pequeñas masas para que el eje de masa se desplace hacia el eje geométrico. En el caso de una máquina montada, esto se realiza in situ, en lugar de en una máquina equilibradora. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la amplitud y la fase de la componente 1× en los propios cojinetes del rotor a velocidad de funcionamiento, calcula los coeficientes de influencia y determina la masa y el ángulo que deben añadirse en cada plano de corrección, captando así el verdadero comportamiento en funcionamiento del rotor, incluidos los efectos de montaje y térmicos que una máquina equilibradora nunca detecta.
