Comprensión del latigazo del eje en maquinaria rotativa

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Definición: ¿Qué es el látigo de eje?

Látigo de eje (también llamado latigazo de aceite cuando se produce en cojinetes hidrodinámicos) es una forma grave de inestabilidad del rotor caracterizada por la violencia vibración autoexcitada Esto ocurre cuando un rotor que opera en cojinetes de película fluida supera una velocidad umbral crítica, generalmente alrededor del doble de la primera. velocidad crítica. Una vez que se produce el latigazo, la frecuencia de vibración se "bloquea" en la primera del rotor. frecuencia natural y permanece allí independientemente de nuevos aumentos de velocidad, con una amplitud limitada únicamente por las holguras de los cojinetes o una falla catastrófica.

El latigazo del eje es una de las condiciones más peligrosas en la maquinaria rotativa de alta velocidad porque se desarrolla repentinamente, alcanza amplitudes destructivas en segundos y no se puede corregir mediante equilibrando u otros métodos convencionales. Requiere una parada inmediata y modificaciones del sistema de rodamientos para evitar que se repita.

La progresión: del remolino de aceite al látigo de eje

Etapa 1: Operación estable

• El rotor funciona por debajo del umbral de inestabilidad
• Solo vibración forzada normal de desequilibrar presente
• La película de aceite del cojinete proporciona un soporte estable.

Etapa 2: Inicio del remolino de aceite

Cuando la velocidad aumenta hasta superar aproximadamente el doble de la primera velocidad crítica:

• Remolino de aceite Se desarrolla una vibración subsíncrona a ~0,43-0,48 veces la velocidad del eje.
• La amplitud es inicialmente moderada y depende de la velocidad.
• La frecuencia aumenta proporcionalmente con la velocidad del eje.
• Puede ser intermitente o continuo
• Puede coexistir con la vibración normal 1X debida a un desequilibrio.

Etapa 3: Transición con látigo

Cuando la frecuencia del remolino de aceite aumenta hasta coincidir con la primera frecuencia natural:

• Bloqueo de frecuencia: La frecuencia de vibración se bloquea en la frecuencia natural.
• Amplificación resonante: La amplitud crece drásticamente debido a resonancia
• Inicio repentino: La transición de remolino a látigo puede ser instantánea.
• Independencia de velocidad: Los aumentos adicionales de velocidad no cambian la frecuencia, solo la amplitud.

Etapa 4: Latigazo del eje (Condición crítica)

• Vibración a frecuencia constante (primera frecuencia natural, típicamente 40-60 Hz)
• Vibración de desequilibrio con amplitud de 5 a 20 veces superior a la normal.
• El eje puede entrar en contacto con los límites de holgura del cojinete.
• Calentamiento rápido de los cojinetes y del aceite
• Potencial de fallo catastrófico en cuestión de minutos si no se apaga.

Mecanismo físico

Cómo se desarrolla el látigo de aceite

El mecanismo implica la dinámica de fluidos en la película de aceite del cojinete:

1. Formación de cuñas de petróleo: Al girar el eje, arrastra aceite alrededor del cojinete, creando una cuña a presión.
2. Fuerza tangencial: La cuña de aceite ejerce una fuerza perpendicular a la dirección radial (tangencial).
3. Movimiento orbital: La fuerza tangencial hace que el centro del eje orbite aproximadamente a la mitad de la velocidad del eje.
4. Extracción de energía: El sistema extrae energía de la rotación del eje para mantener el movimiento orbital.
5. Bloqueo por resonancia: Cuando la frecuencia orbital coincide con la frecuencia natural, la resonancia amplifica la vibración.
6. Ciclo límite: La vibración aumenta hasta que se ve limitada por la holgura del rodamiento o por una falla.

Identificación diagnóstica

Firma de vibración

El latigazo del eje produce patrones característicos en los datos de vibración:

• Espectro: Gran pico a frecuencia subsíncrona (primera frecuencia natural), constante independientemente de los cambios de velocidad.
• Parcela de cascada: El componente subsíncrono aparece como una línea vertical (frecuencia constante) en lugar de una diagonal (proporcional a la velocidad).
• Análisis del pedido: Orden fraccionario que disminuye a medida que aumenta la velocidad (por ejemplo, cambia de 0,5× a 0,4× a 0,35×).
• Órbita: Órbita circular o elíptica grande a frecuencia natural

Velocidad de inicio

• Umbral típico: 2,0-2,5 veces la primera velocidad crítica
• Dependiente del rodamiento: El umbral específico varía según el diseño del rodamiento, la precarga y la viscosidad del aceite.
• Inicio repentino: Un pequeño aumento de velocidad puede desencadenar una transición rápida de estable a inestable.

Estrategias de prevención

Modificaciones en el diseño de los rodamientos

1. Cojinetes de almohadilla basculante

• La solución más eficaz para prevenir la vibración del eje.
• Las almohadillas pivotan de forma independiente, eliminando las fuerzas de acoplamiento cruzado desestabilizadoras.
• Intrínsecamente estable en amplios rangos de velocidad.
• Estándar industrial para turbomáquinas de alta velocidad

2. Cojinetes de presión de presas

• Cojinete cilíndrico modificado con ranuras o topes
• Aumenta la amortiguación y la rigidez efectivas.
• Menos costoso que una almohadilla basculante, pero menos efectivo.

3. Precarga del rodamiento

• La aplicación de una precarga radial a los cojinetes aumenta la rigidez.
• Aumenta la velocidad umbral para la inestabilidad
• Puede lograrse mediante diseños de orificios descentrados.

4. Amortiguadores de película fina

• Elemento de amortiguación externo que rodea el cojinete
• Proporciona amortiguación adicional sin modificar el diseño del rodamiento.
• Eficaz para aplicaciones de modernización

Medidas operativas

• Limitación de velocidad: Limitar la velocidad máxima de funcionamiento por debajo del umbral (normalmente < 1,8× primer crítico)
• Gestión de carga: Operar con cargas de apoyo más elevadas cuando sea posible (aumenta la amortiguación).
• Control de la temperatura del aceite: Una temperatura más baja del aceite aumenta la viscosidad y la amortiguación.
• Escucha: Monitoreo continuo de vibraciones con alarmas configuradas para componentes subsíncronos

Consecuencias y daños

Efectos inmediatos

• Vibración violenta: Las amplitudes pueden alcanzar varios milímetros (cientos de mils).
• Ruido: Sonido fuerte y distintivo, diferente al funcionamiento normal.
• Calentamiento rápido de cojinetes: Las temperaturas de los rodamientos pueden aumentar entre 20 y 50 °C en minutos.
• Degradación del petróleo: Las altas temperaturas y el cizallamiento degradan el lubricante.

Posibles fallos

• Limpieza de rodamientos: El material antifricción del cojinete se derrite y se limpia.
• Daños en el eje: Marcas, rozaduras o deformaciones permanentes
• Fallo del sello: El movimiento excesivo del eje destruye los sellos.
• Rotura del eje: Fatiga de alto ciclo por oscilación violenta
• Daños en el acoplamiento: Las fuerzas transmitidas dañan los acoplamientos.

Fenómenos relacionados

Remolino de aceite

Remolino de aceite es el precursor del látigo:

• El mecanismo es el mismo, pero la frecuencia no se ha estabilizado en la frecuencia natural.
• Amplitud menos severa
• Frecuencia proporcional a la velocidad (~0,43-0,48×)
• Puede ser tolerable en algunas aplicaciones

Remolino de vapor

Inestabilidad similar en turbinas de vapor causada por fuerzas aerodinámicas en sellos laberínticos, en lugar de por películas de aceite en los cojinetes. Presenta un bloqueo de vibración subsíncrono similar a la frecuencia natural.

Látigo de fricción seca

Puede producirse en las zonas de sellado o por contacto rotor-estator:

• Las fuerzas de fricción proporcionan un mecanismo desestabilizador
• Menos común que el latigazo con aceite, pero igualmente peligroso.
• Requiere un enfoque correctivo diferente (eliminar el contacto, mejorar el diseño del sello).

Estudio de caso: Latigazo del eje del compresor

Guión: Compresor centrífugo de alta velocidad con cojinetes cilíndricos lisos

• Funcionamiento normal: 12.000 RPM con una vibración de 2,5 mm/s
• Aumento de velocidad: El operador aumentó la velocidad a 13.500 RPM para una mayor capacidad.
• Comienzo: A 13.200 RPM, se produjo una vibración violenta repentina.
• Síntomas: Vibración de 25 mm/s a 45 Hz (constante); la temperatura del rodamiento aumentó de 70 °C a 95 °C en 3 minutos.
• Acción de emergencia: La parada inmediata evitó la falla del rodamiento.
• Causa principal: La primera velocidad crítica fue de 2700 RPM (45 Hz); se superó el umbral de látigo a 2× la velocidad crítica = 5400 RPM.
• Solución: Se sustituyeron los cojinetes lisos por cojinetes de patín basculante, lo que permite un funcionamiento seguro hasta 15.000 RPM.

Normas y prácticas de la industria

• API 684: Requiere análisis de estabilidad para turbomáquinas de alta velocidad.
• API 617: Especifica los tipos de cojinetes y los requisitos de estabilidad para compresores.
• ISO 10814: Proporciona orientación sobre la selección de rodamientos para la estabilidad
• Práctica de la industria: Cojinetes de patín basculante estándar para equipos que operan a más del doble de la primera velocidad crítica.

El latigazo del eje representa un modo de fallo catastrófico que debe prevenirse mediante la selección y el diseño adecuados de los rodamientos. El reconocimiento de su distintiva vibración subsíncrona, sincronizada con la frecuencia, permite un diagnóstico rápido y una respuesta de emergencia apropiada, evitando costosos daños a equipos rotativos críticos de alta velocidad.

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