Comprensión de las inestabilidades del látigo y del remolino del rotor
Giro y whip — que se encuentra con mayor frecuencia como remolino de aceite y el oil whip — son dos formas relacionadas y extremadamente peligrosas de autoexcitación, subsincrónico vibración que se producen en maquinaria rotativa de alta velocidad que opera sobre cojinetes de película de fluido (revista) cojinetes. No son vibraciones forzadas provocado por fallos como desequilibrar o desalineación; en cambio son inestabilidades del rotor en los que el propio movimiento del rotor genera las fuerzas que sostienen y amplían la vibración. En ambos casos, el eje “gira en espiral” — precesa hacia adelante en una órbita amplia dentro de la holgura del cojinete, trazando un camino completamente distinto al de su propio giro.
1. Definición: ¿Qué son el whirl y el whip?
Conviene distinguir dos conceptos que el término cotidiano “whirl” tiende a confundir. Spin es la rotación del rotor sobre su propio eje geométrico. Giro (o precesión) es la trayectoria orbital de ese eje en su conjunto alrededor de un círculo mayor dentro del cojinete — imagine una moneda giratoria cuyo centro también describe bucles sobre la mesa. Todos los rotores presentan algo de whirl; el problema comienza cuando el whirl deja de ser una respuesta inofensiva a desequilibrio residual and becomes self-excited, extrayendo su energía de la rotación continua y no de ninguna excitación externa. El oil whirl es la precesión autoexcitada impulsada por la película de aceite del cojinete; el oil whip es la resonancia violenta en la que este puede evolucionar. Dado que la fuente de energía es la propia rotación, estas inestabilidades no pueden eliminarse mediante equilibrado — un contraste definitorio con los problemas síncronos.
2. El mecanismo: ¿Cómo se produce?
En un cojinete de película de fluido, el eje giratorio no está soportado por contacto metal con metal, sino por una cuña de aceite a alta presión. El eje no se asienta en el centro del cojinete; se desplaza hacia uno de los lados, empujado por la carga que soporta. A medida que la superficie del muñón arrastra el aceite a través del espacio anular, el lubricante circula a una velocidad media ligeramente inferior a la mitad de la velocidad superficial del eje — el fluido en contacto con el eje se mueve a la velocidad del eje, el fluido contra la pared estacionaria del cojinete está prácticamente inmóvil, y la media global se sitúa justo por debajo de 0,5×.
El oil whirl se produce cuando esta película circulante comienza a “empujar” el eje con carga ligera por delante de sí misma, arrastrándolo a una gran órbita hacia adelante alrededor del cojinete. La frecuencia del whirl está determinada por la velocidad media de la película de aceite, que se sitúa típicamente entre el 42% y el 48% de la velocidad de giro (0,42× a 0,48×). Esa característica firma sub-síncrona — cercana, pero nunca exactamente igual, a la mitad de velocidad de funcionamiento — es la huella dactilar que buscan los analistas. (El valor de “ligeramente inferior a la mitad” explica también por qué el oil whirl se denomina a veces de forma imprecisa “whirl a media velocidad”, aunque el valor real nunca alcanza exactamente 0,5×.)
3. Oil whirl: el precursor
El oil whirl suele ser la fase inicial de la inestabilidad — una advertencia, no todavía una catástrofe. Sus características son:
- Frecuencia: aparece como un pico bien definido en el FFT espectro entre el 0,42× y el 0,48× de las RPM.
- Behaviour: la frecuencia de precesión aumenta a medida que la máquina acelera, siempre manteniendo esa proporción de ~45% de la velocidad de funcionamiento. Durante una aceleración, asciende como una sombra subsíncrona por debajo de la línea de 1×.
- Gravedad: puede generar vibración elevada, aunque en ocasiones estable, y puede aparecer o desaparecer al cambiar la carga, la velocidad o la temperatura del aceite. Indeseable, sin duda, pero no siempre inmediatamente destructiva.
- Sensibilidad: los cojinetes con carga ligera, sobredimensionados o desgastados son los principales responsables, ya que una carga específica baja permite que la cuña de aceite domine la posición del eje.
4. Whip de aceite: el peligro crítico
El whip de aceite es una condición mucho más grave que surge directamente del whirl de aceite. Se produce cuando la máquina acelera hasta el punto en que la frecuencia del whirl de aceite (aproximadamente al 45% de la velocidad de funcionamiento) asciende hasta encontrarse con la primero frecuencia natural — its first velocidad crítica. En ese momento, el whirl “se engancha” a la frecuencia natural y excita una plena resonancia. Sus características son:
- Frecuencia: la vibración se fija en la primera frecuencia natural del rotor y no sigue aumentando, incluso mientras la máquina continúa acelerando — de modo que el pico subsíncrono “se estabiliza” mientras el pico de 1× sigue avanzando.
- Amplitud: la vibración crece considerablemente, volviéndose violenta e inestable.
- Behaviour: el whip de aceite es extremadamente destructivo y no no se disipa acelerando más. Puede destruir cojinetes, retenes y el propio rotor en un tiempo muy corto, en ocasiones a través de un grave roce del rotor a medida que la órbita ocupa toda la holgura.
La velocidad a la que se inicia el whip es típicamente poco superior a el doble de la primera velocidad crítica del rotor — el punto donde la línea de ~0,5× del whirl cruza la primera frecuencia natural. Una máquina sometida al whip de aceite necesita una cierre; este es precisamente el escenario para el que los protección de maquinaria sistemas están diseñados para actuar como disparo.
5. Cómo identificar el whirl y el whip
- Análisis del espectro: busque un pico subsíncrono pronunciado. Durante una aceleración, si la frecuencia de ese pico aumenta con la velocidad, se trata de whirl; si “se estabiliza” en un valor fijo mientras el pico de 1× sigue subiendo, ha pasado a whip.
- Orbit plot: la órbita del eje es un círculo o elipse grande con precesión directa, frecuentemente con el componente 1× superpuesto, lo que genera un patrón característico de “rizo sobre rizo”.
- Parcela de cascada: una cascada (o cascada) el gráfico de arranque ofrece la imagen más clara posible: muestra cómo la frecuencia de precesión aumenta con la velocidad hasta que intersecta la primera frecuencia natural y queda atrapada en el whip. Cartografiar esas intersecciones es exactamente lo que hace un Diagrama de Campbell is for.
Como el whirl y el whip se producen por debajo de 1×, el analizador debe alcanzar valores muy inferiores a la velocidad de funcionamiento y resolver la fase con precisión. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A captura la señal sincronizada amplitud y fase del componente a velocidad de funcionamiento durante un arranque o una deceleración, lo que permite al ingeniero confirmar in situ que un pico persistente de baja frecuencia es una verdadera inestabilidad del cojinete y no un desequilibrio ordinario — y, con igual utilidad, descartar un problema de equilibrado antes de aplicar una solución que nunca habría funcionado.
6. Causas y soluciones
Estas inestabilidades están determinadas por el diseño del cojinete, la geometría del rotor, la viscosidad del aceite, la temperatura y la carga — un conjunto enmarañado de interacciones recogido formalmente en dinámica del rotor. No están causadas por el desequilibrio y no pueden corregirse mediante equilibrando; los remedios son cambios a nivel de diseño:
- Cambiar a una geometría de cojinete más estable, como un cojinete de chumacera de patines basculantes.
- Modificar la viscosidad del aceite o la temperatura de funcionamiento para desplazar el comportamiento de la película.
- Aumentar la carga específica del cojinete para que el eje quede firmemente asentado y la cuña de aceite ya no pueda dominar.
- Añadir ranuras, diques axiales o perfiles de orificio elíptico que interrumpan el flujo de aceite circunferencial que alimenta el whirl.
Una inestabilidad estrechamente relacionada, remolino de vapor, surge de fuerzas aerodinámicas en lugar de fuerzas de película de aceite en las turbinas, pero produce una imagen subsíncrona autoexcitada similar — un recordatorio de que el “whirl” es una familia de fenómenos unidos por un rasgo común: el rotor que alimenta energía hacia su propia órbita.
