Comprensión de los amortiguadores de película de compresión
A amortiguador de película de compresión (SFD) es un pasivo mojadura Dispositivo utilizado en maquinaria rotativa para disipar la energía vibracional y controlar vibración amplitudes - sobre todo durante el paso por velocidades críticas. Consiste en una fina película de aceite atrapada en un estrecho espacio anular que rodea el alojamiento de un rodamiento. Cuando el rodamiento y su rotor La resistencia viscosa a la compresión disipa la energía y amortigua el sistema del rotor sin añadir rigidez significativa. Los amortiguadores de película de aceite se utilizan en motores aeronáuticos, turbinas de gas industriales y otras máquinas de alta velocidad cuando se necesita una amortiguación adicional para controlar la resonancia y evitar que se produzcan vibraciones. inestabilidades del rotor.
1. El principio físico de funcionamiento
La acción de apretar
A diferencia de un cojinete de muñón, Un amortiguador de película comprimida funciona mediante la compresión cíclica de una película que no soporta ninguna carga estática:
- Vibración del rotor: un rotor desequilibrado o excitado de otro modo aplica fuerzas oscilantes al rodamiento.
- Moción sobre la vivienda: el alojamiento del rodamiento orbita u oscila radialmente dentro del juego del amortiguador.
- Exprimir la película de aceite: cuando la carcasa se desplaza hacia el interior, la película se comprime; cuando se desplaza hacia el exterior, la película se expande.
- Resistencia viscosa: el aceite se resiste a ser expulsado de la ranura, generando una fuerza de amortiguación proporcional a la velocidad.
- Disipación de energía: la energía vibratoria se convierte en calor en el aceite y es arrastrada por el flujo de alimentación.
Dado que la fuerza de resistencia es proporcional a la velocidad y no al desplazamiento, el amortiguador se opone a movimiento sin actuar como un muelle, el rasgo definitorio que separa la amortiguación de la rigidez.
En qué se diferencia de un cojinete de deslizamiento
- Cojinete de diario: soporta cargas estáticas y dinámicas a través de la presión hidrodinámica de la película, contribuyendo tanto a la rigidez como a la amortiguación.
- Apriete el amortiguador de la película: proporciona amortiguación con una rigidez mínima y no soporta carga constante.
- Combinación: un rodamiento de elementos rodantes (para soportar la carga) y un SFD (para amortiguar) forman una pareja ideal para muchos diseños de alta velocidad, ya que los rodamientos casi no proporcionan amortiguación por sí mismos.
2. Construcción y diseño
Componentes básicos
- Anillo interior (alojamiento del rodamiento): la superficie exterior del alojamiento del rodamiento, libre para moverse radialmente.
- Anillo exterior (carcasa del amortiguador): una carcasa fija con un orificio cilíndrico preciso.
- Holgura anular: el espacio radial entre las pistas interior y exterior, normalmente 0,1-0,5 mm.
- Suministro de petróleo: aceite a presión alimentado en el espacio libre.
- Sellos finales: Juntas tóricas o similares que contengan el aceite axialmente.
- Elementos de centrado: muelles o elementos de retención que impidan un movimiento excesivo y mantengan el gorrón concéntrico en reposo.
Parámetros de diseño
- Holgura radial (c): establece el coeficiente de amortiguación: una separación menor proporciona mucha más amortiguación.
- Longitud (L): la longitud axial del amortiguador: cuanto más largo, más amortiguación.
- Diámetro (D): un diámetro mayor proporciona más amortiguación.
- Viscosidad del aceite (µ): una mayor viscosidad proporciona más amortiguación.
- Tipo de cierre: rige la fuga de aceite axial y, por tanto, la amortiguación efectiva.
3. El coeficiente de amortiguación
La fuerza de amortiguación que produce un amortiguador de película de compresión es, en una primera aproximación:
Fmojadura = C × velocidad, donde el coeficiente de amortiguación C ∝ (µ - D - L³) / c³.
La dependencia cúbica de la holgura es el hecho principal: el coeficiente varía con 1/c³, por lo que Reducir a la mitad la holgura multiplica por ocho la amortiguación.. Esta extrema sensibilidad es un arma de doble filo: da al diseñador una gran ventaja, pero también significa que las tolerancias de fabricación, el crecimiento térmico y el desgaste del diámetro interior tienen un efecto desproporcionado en el rendimiento real. La elección del grosor óptimo de la película es, por tanto, la principal decisión de diseño, y se toma en función de las previsiones del rotor. formas modales.
Muelles de centrado
- Objetivo: para evitar que el amortiguador “toque fondo” en el contacto metal con metal cuando el movimiento es grande.
- Selección de rigidez: Suficientemente blando para permitir que el amortiguador se mueva y haga su trabajo, pero suficientemente rígido para mantener el gorrón centrado bajo la gravedad y las cargas laterales estáticas.
- Tipos comunes: el muelle de jaula de ardilla (un anillo de elementos de viga circunferencial), los muelles helicoidales y los elementos elastoméricos.
Suministro y drenaje de aceite
- Un suministro presurizado, normalmente de 1 a 5 bares, para mantener lleno el espacio libre.
- Un caudal adecuado para evacuar el calor que genera la película.
- Drenaje adecuado para evitar la inundación de aceite y la sobrepresurización.
- Purga de aire para evitar cavitación dentro de la película.
4. Ventajas de los amortiguadores de película de compresión
- Añade amortiguación sin rigidez: aumenta la disipación de energía sin modificar significativamente las velocidades críticas del rotor.
- Reduce las vibraciones a velocidad crítica: tiene resonancia amplitudes hasta niveles seguros.
- Evita inestabilidades: ayuda a suprimir remolino de aceite, látigo de eje y otras vibraciones autoexcitadas.
- Aísla la fuerza transmitida: corta la vibración pasó a los cimientos y a la estructura circundante.
- Admite transitorios: controla las vibraciones durante el arranque, el apagado y los cambios de carga.
- Capacidad de retroadaptación: Se puede añadir a las máquinas existentes sin necesidad de un rediseño importante.
- Funcionamiento pasivo: no necesita sistema de control ni alimentación externa, sólo una alimentación de aceite.
5. Aplicaciones
Turbinas de gas para aviones
- Casi universal en los motores de avión modernos.
- Imprescindible para controlar las vibraciones durante los pasos a velocidad crítica en el centrifugado.
- Hacer viables los rodamientos de elementos rodantes en aplicaciones de muy alta velocidad.
- Diseño compacto y ligero: una ventaja decisiva para la industria aeroespacial.
Turbinas de gas industriales
- Se utiliza junto con rodamientos de elementos rodantes o cojinetes basculantes.
- Controle las vibraciones mediante arranques y paradas frecuentes.
- Reducir las vibraciones transmitidas a la estructura de soporte.
Compresores de alta velocidad
- Añade amortiguación más allá de la que proporcionan los rodamientos por sí solos.
- Prevenir inestabilidades en condiciones de poca carga.
- Amplía el rango operativo utilizable.
Aplicaciones retrofit
- Se instala en máquinas existentes que sufren vibraciones excesivas a velocidad crítica.
- Un remedio cuando el equilibrio y la alineación por sí solos no pueden reducir las vibraciones lo suficiente.
- Una alternativa al costoso rediseño del rotor o los rodamientos.
6. Retos y limitaciones
Retos de diseño
- Cavitación: la película puede cavitar -formar burbujas de vapor-, lo que reduce la amortiguación efectiva.
- Ingestión aérea: El aire arrastrado ablanda la película y reduce la amortiguación.
- Dependencia de la frecuencia: La eficacia de la amortiguación cambia con la frecuencia de vibración.
- Comportamiento no lineal: El rendimiento cambia con la amplitud, y las órbitas grandes que se acercan al límite de holgura se comportan de forma muy poco lineal.
Retos operativos
- Sensibilidad a la temperatura: La viscosidad del aceite disminuye al aumentar la temperatura, lo que reduce directamente la amortiguación.
- Limpieza: La contaminación puede bloquear el suministro o rayar las superficies de precisión.
- Dependencia del suministro de petróleo: La pérdida de presión de aceite elimina por completo la amortiguación.
- Desgaste de las juntas: Las juntas de los extremos se degradan con el tiempo, reduciendo gradualmente su eficacia.
Requisitos de mantenimiento
- Controlar la presión y la temperatura del aceite.
- Inspeccione periódicamente las juntas de los extremos.
- Verificar las holguras durante las revisiones.
- Compruebe el estado de los muelles de centrado.
- Limpiar los conductos y filtros de aceite.
7. Diseños avanzados
Amortiguadores de pistón
- Utilice anillos de pistón en lugar de juntas tóricas.
- Permiten una fuga de aceite controlada para una mejor distribución de la presión.
- Reducir la tendencia a la cavitación.
Amortiguadores abiertos
- Sin juntas en los extremos: el aceite fluye libremente en dirección axial.
- Un diseño más sencillo sin problemas de desgaste de juntas.
- Requieren mayores caudales de aceite.
- Proporcionan una amortiguación más consistente y predecible.
Amortiguadores integrales
- La película amortiguadora se forma directamente entre el dorso del rodamiento y su alojamiento.
- No se necesita ningún componente amortiguador separado.
- Compacto, pero limitado en la amortiguación que puede proporcionar.
8. Eficacia y rendimiento
Reducción de vibraciones
- Puede reducir las vibraciones de velocidad crítica en 50-80%.
- Especialmente eficaz para controlar la resonancia.
- Amplía el pico de velocidad crítica, haciéndolo menos agudo.
- Permite un paso más seguro y tranquilo a velocidades críticas - visible como un pico más plano en un Diagrama de Bode durante el arranque.
Mejora de la estabilidad
- Aumenta la velocidad de inicio (umbral) para inestabilidades.
- Puede prevenir remolino de aceite cuando se combina con rodamientos.
- Añade una amortiguación positiva que contrarresta las fuerzas cruzadas desestabilizadoras.
9. Diseño, análisis y verificación sobre el terreno
El diseño correcto de un amortiguador de película de compresión requiere un estudio integrado de todo el conjunto. sistema de cojinetes de rotor:
- Análisis rotor-dinámico: modelización conjunta del rotor, los rodamientos y el amortiguador para predecir la respuesta y la estabilidad.
- Análisis de película fluida: Soluciones de la ecuación de Reynolds para la distribución de la presión en la película.
- Análisis no lineal: teniendo en cuenta la cavitación y el comportamiento dependiente de la amplitud.
- Análisis térmico: aumento de la temperatura del aceite y disipación del calor.
- Programas informáticos especializados: Los paquetes de rotordinámica como DyRoBeS y XLTRC incluyen modelos SFD.
Por muy bueno que sea el diseño, su verdadero cometido es mantener las vibraciones medidas dentro de unos límites aceptables, y eso se confirma en la máquina en marcha y no sobre el papel. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A es la herramienta práctica para esa comprobación: con acelerómetros en los alojamientos de los rodamientos capta la amplitud y fase a través de un run-up o coastdown, Ello permite a un ingeniero observar la amplitud y la intensidad del pico de velocidad crítica amortiguado y confirmar que el rotor atraviesa la resonancia de forma segura. Si los residuos desequilibrar está alimentando la resonancia, el mismo instrumento puede equilibrio del campo el rotor, porque incluso el mejor amortiguador funciona mejor cuando primero se minimiza la fuerza que debe absorber.
10. Cuándo utilizarlo y cuándo no
Aplicaciones recomendadas
- Maquinaria de alta velocidad: operando cerca o por encima de las velocidades críticas.
- Sistemas de rodamientos de elementos rodantes: donde los propios rodamientos proporcionan poca amortiguación.
- Rotores flexibles: funcionando por encima de la primera velocidad crítica.
- Problemas de estabilidad: donde las inestabilidades del rotor son un riesgo real.
- Control de transitorios: reducir las vibraciones de arranque y parada.
No se recomienda cuando
- El funcionamiento es a baja velocidad y la amortiguación no es crítica.
- Las limitaciones de espacio impiden la instalación.
- No se dispone de un sistema fiable de suministro de aceite.
- Los recursos de mantenimiento son limitados: los amortiguadores añaden un sistema de aceite que hay que mantener.
- Medidas más sencillas, como equilibrando o alineación, ya hacen el trabajo.
El amortiguador de película comprimida es una respuesta elegante al control de vibraciones en maquinaria rotativa de alta velocidad. Al proporcionar una amortiguación sustancial sin apenas rigidez añadida, permite un funcionamiento seguro a velocidades críticas, suprime las inestabilidades destructivas y amplía la envolvente de funcionamiento, todo ello en un paquete compacto y pasivo que requiere poco más que un suministro limpio y constante de aceite.
