Comprender la velocidad crítica del turbo permite relacionar los informes de vibración con el comportamiento del rotor, el estado de los cojinetes y las consecuencias de cambiar las ruedas o las holguras.
Diferencia entre la velocidad crítica y la velocidad máxima del turbo
El rotor de un turbocompresor hace más que girar. Su línea central puede desplazarse lateralmente, inclinarse y flexionarse mientras las ruedas siguen girando. Los cojinetes y el eje se oponen a esos movimientos y forman un sistema con patrones y frecuencias de vibración característicos.
Una velocidad crítica se presenta cuando una excitación relacionada con la velocidad coincide con un modo natural de vibración compatible. En la conocida respuesta al desbalance, la excitación se repite una vez por cada revolución del eje. Cerca de un modo coincidente, incluso un pequeño desbalance residual puede producir un aumento perceptible del movimiento.
Esto es distinto de la velocidad máxima admisible de un turbo. La velocidad crítica describe una condición de resonancia; no establece el límite de resistencia de la rueda ni una velocidad máxima de funcionamiento seguro.
Tampoco existe un valor universal para la velocidad crítica de un turbo diésel ni una única velocidad crítica para un CHRA de reemplazo. El comportamiento relevante corresponde a un rotor, una disposición de cojinetes y unas condiciones de funcionamiento específicos.
Frecuencias naturales y formas modales del rotor
Una frecuencia natural del rotor es una frecuencia a la que el conjunto apoyado en sus soportes tiende a vibrar después de una perturbación. Las formas modales del rotor de un turbocompresor describen cómo se mueven sus distintas partes durante esa vibración.
Considere la frecuencia como el ritmo y la forma modal como el patrón de movimiento. Dos modos pueden implicar movimientos del eje muy diferentes, incluso cuando sus frecuencias son relativamente cercanas.
En un turbocompresor, el conjunto relevante incluye las ruedas, el eje, los cojinetes y las características de sus soportes. En un turbo con cojinetes de deslizamiento, las películas de aceite aportan rigidez y amortiguación, por lo que el rotor no puede analizarse como si fuera únicamente un eje aislado.
| Modo | Cómo es el movimiento | Importancia práctica |
|---|---|---|
| Modo cilíndrico de cuerpo rígido | El rotor se desplaza lateralmente y su línea central permanece aproximadamente paralela a su posición original. | Las propiedades de apoyo de los cojinetes influyen considerablemente en el movimiento. |
| Modo cónico de cuerpo rígido | El rotor oscila o se inclina, y sus extremos generalmente se mueven en sentidos opuestos. | La inercia de las ruedas, la separación entre cojinetes y el comportamiento de los soportes afectan la respuesta. |
| Modo de flexión | El propio eje se curva mientras sus distintas secciones se desplazan en diferente medida. | La geometría del eje y las propiedades de las ruedas adquieren especial importancia. |
«Cuerpo rígido» no significa que el conjunto tenga una rigidez infinita. Significa que la flexión del eje es lo suficientemente pequeña como para que la traslación o la oscilación angular describan razonablemente bien el modo.
Los rotores reales de los turbos no son perfectamente simétricos. Sus extremos del compresor y de la turbina son diferentes, por lo que un modo medido o calculado puede combinar traslación, inclinación y flexión. La tabla ofrece representaciones útiles para comprenderlos, pero no describe tres comportamientos perfectamente separados en todos los turbos.
Cómo interpretar un diagrama de Campbell de un turbocompresor
Un diagrama de Campbell representa la velocidad del rotor en el eje horizontal y la frecuencia de vibración en el eje vertical. Muestra cómo cambian las frecuencias naturales a medida que el rotor acelera.
Estas curvas de frecuencia natural se representan junto con líneas de excitación:
- 1X: Un ciclo de vibración por revolución del eje, habitualmente asociado al desbalance.
- 2X: Dos ciclos por revolución, relevantes cuando existe una excitación que se repite dos veces por revolución.
- Otros órdenes: Múltiplos o fracciones adicionales de la frecuencia del eje, incluidos cuando resultan relevantes para el mecanismo investigado.
Si la velocidad se expresa en rpm y la frecuencia en hertz, la línea 1X corresponde a la velocidad del eje convertida a revoluciones por segundo. Ambos ejes deben interpretarse con las unidades indicadas.
Donde una línea de excitación cruza una rama de frecuencia natural, las frecuencias coinciden. Un cruce 1X compatible identifica una posible velocidad crítica síncrona.
Sin embargo, un cruce por sí solo no indica cuánto se moverá el rotor. Para determinarlo, se necesita información sobre las fuerzas de excitación, la amortiguación, la forma modal y la eficacia con la que la excitación activa ese modo. Una gráfica de frecuencias es un mapa de posibles condiciones de resonancia, no un informe de aceptación de vibraciones.
Al revisar un diagrama de Campbell de un turbocompresor, verifique:
- Qué configuración de rotor y cojinetes representa el modelo.
- Si las frecuencias utilizan un sistema de referencia fijo o giratorio.
- Si las ramas están identificadas por modo y sentido de precesión.
- Dónde se encuentra el rango real de funcionamiento.
- Qué temperatura del aceite y condiciones de los cojinetes se supusieron.
- Si la gráfica de frecuencias está acompañada de resultados de respuesta y estabilidad.
Distinga también entre un diagrama de Campbell calculado y un mapa de colores de frecuencia frente a velocidad obtenido mediante mediciones. Pueden parecer similares, pero el primero predice modos y el segundo muestra vibraciones o ruido registrados.
Eje horizontal: velocidad del eje.
Eje vertical: frecuencia de vibración.
La excitación 1X sigue la frecuencia de giro del eje.
Un cruce con un modo puede indicar riesgo de resonancia.
Esquema cualitativo; no son datos de ensayo ni límites de funcionamiento.
Por qué se separan las curvas de frecuencia al aumentar la velocidad
Las ruedas del compresor y de la turbina actúan como giroscopios. Su resistencia a los cambios de orientación depende de la velocidad de rotación y de cómo se distribuye su masa alrededor del eje.
Esto es relevante porque la vibración del rotor puede incluir precesión: el movimiento de la línea central del eje alrededor de su posición media. El sentido de precesión es independiente del sentido en que gira la superficie del eje.
En la precesión directa, el movimiento de la línea central sigue el mismo sentido que la rotación del eje. En la precesión inversa, sigue el sentido opuesto.
Los efectos giroscópicos pueden separar modos que de otro modo estarían emparejados en ramas de precesión directa e inversa. En una representación habitual con un sistema de referencia fijo, la rama directa asciende y la inversa desciende a medida que aumenta la velocidad. La forma real de las curvas también depende de los cojinetes, la geometría y el modo considerado.
Los modos que implican una inclinación considerable de las ruedas generalmente muestran una influencia giroscópica mayor que los de traslación lateral casi pura.
En un sistema simétrico ideal, el desbalance rotatorio habitual excita principalmente la precesión directa. Por lo tanto, un cruce con una rama inversa no implica automáticamente otra resonancia intensa por desbalance. La asimetría, el contacto y otros mecanismos de excitación pueden complicar este comportamiento.
Por eso, interpretar cada intersección de líneas como un punto de falla lleva a conclusiones engañosas.
¿Por qué hay picos de vibración en el turbo al acelerar?
Un turbo no alcanza instantáneamente la respuesta de vibración en régimen permanente correspondiente a cada velocidad del eje. Durante la aceleración, atraviesa condiciones cambiantes, y la vibración necesita tiempo para aumentar o disminuir.
Cuando el rotor atraviesa una resonancia, el pico observado depende del desbalance residual, la amortiguación y la rapidez con que cambia la velocidad. Un paso más rápido puede limitar el tiempo disponible para que aumente la vibración. Esto no garantiza que el movimiento sea inofensivo.
La respuesta transitoria máxima también puede producirse ligeramente después del cruce nominal. Un registro de desaceleración puede diferir de uno de aceleración porque el historial de velocidad y las condiciones de los cojinetes son distintos.
Para un taller que revisa una prueba controlada, esto significa que un pico estrecho de vibración debe interpretarse junto con la tasa de barrido de velocidad, las condiciones del aceite y la configuración de medición. Comparar dos informes sin esos detalles puede llevar a un diagnóstico erróneo.
No intente localizar una resonancia manteniendo un motor instalado en el régimen donde se oye un sonido problemático ni forzando repetidamente la sobrealimentación. Las rpm del motor no son las rpm del eje del turbo, y las pruebas en el vehículo no proporcionan las condiciones controladas necesarias para evaluar el rotor de manera fiable.
Por qué los diseñadores mantienen la resonancia de flexión fuera del rango de funcionamiento
Un modo de flexión del rotor puede producir movimientos considerables en las ruedas, lo que resulta especialmente importante cuando las holguras de funcionamiento son pequeñas.
Los diseñadores buscan situar las principales resonancias de flexión del turbocompresor fuera del rango de funcionamiento previsto, a menudo manteniendo la primera velocidad crítica de flexión por encima de ese rango. La separación deseada debe tener en cuenta el sistema ensamblado y los cambios en el comportamiento de los cojinetes.
Esto no significa que todos los modos naturales deban quedar por encima de todas las velocidades que alcanza el turbo. Durante la aceleración, pueden atravesarse modos de menor frecuencia dominados por los soportes. Que esto sea aceptable depende del movimiento resultante y de la estabilidad del sistema.
La amortiguación de la película de aceite ayuda a controlar la vibración al disipar energía mientras el rotor se mueve. En los diseños con cojinetes de anillo flotante, las películas de aceite alrededor del anillo del cojinete también contribuyen a este comportamiento.
Sin embargo, una película de aceite no es simplemente un amortiguador de vibraciones. En determinadas condiciones, las fuerzas de la película fluida pueden aportar energía al movimiento del rotor y causar inestabilidad.
El torbellino de aceite suele ser subsíncrono: su frecuencia es inferior a la frecuencia de rotación del eje, a menudo alrededor de la mitad o menos. Esta relación depende del sistema de cojinetes. En el latigazo de aceite, el movimiento pasa a estar ligado a una frecuencia natural del rotor, en lugar de seguir variando proporcionalmente con la velocidad del eje.
Estos mecanismos explican por qué una respuesta 1X satisfactoria no demuestra la estabilidad completa del rotor. Los diseñadores necesitan una ubicación adecuada de los modos, una respuesta controlada y un comportamiento estable de los cojinetes.
Qué implica esto para la reconstrucción y la compra de piezas
La enseñanza práctica es conservar o validar adecuadamente el conjunto giratorio completo. Un componente puede encajar físicamente y, aun así, cambiar el comportamiento dinámico del rotor.
La calidad del balanceo controla la excitación
Un mejor balanceo reduce la fuerza que actúa una vez por revolución y genera vibración síncrona. Generalmente reduce la respuesta en resonancia, pero no elimina el modo natural en sí.
El balanceo de componentes y las pruebas de vibración del CHRA ensamblado responden a preguntas diferentes. Consulte qué se balanceó, si se probó la unidad ensamblada y qué criterios de aceptación se utilizaron.
Una lectura baja a una sola velocidad no ofrece un panorama completo si aparece una respuesta significativa en otra parte del rango ensayado.
Las holguras de los cojinetes afectan el apoyo
Las holguras de los cojinetes influyen en la rigidez, la amortiguación y la estabilidad de la película de aceite. Por lo tanto, el desgaste, las piezas incorrectas o un mecanizado inadecuado pueden cambiar la respuesta incluso si el balanceo del rotor no ha cambiado.
Una holgura menor no es automáticamente mejor. Las holguras deben corresponder al diseño y permitir una lubricación y un comportamiento térmico adecuados.
Durante la inspección:
- Revise si hay contacto de las ruedas, daños en el eje y contaminación del aceite.
- Mida las holguras especificadas de los cojinetes y del apoyo axial mediante el procedimiento adecuado.
- Inspeccione la alimentación y el drenaje de aceite para detectar restricciones.
- Confirme el lubricante especificado y los requisitos de instalación.
- Interprete el movimiento radial percibido a mano según el diseño de los cojinetes.
Un conjunto con cojinetes de deslizamiento en seco puede presentar un movimiento perceptible; esa observación por sí sola no permite determinar su estado durante el funcionamiento.
Las mejoras de las ruedas cambian más que el flujo de aire
Una rueda más grande o de forma diferente cambia la distribución de masa y la inercia de rotación. Puede desplazar las frecuencias naturales, modificar las formas modales y cambiar la separación giroscópica de las ramas.
El resultado no puede predecirse de manera fiable únicamente a partir del diámetro de la rueda. La geometría del eje, el voladizo de la rueda, las propiedades de los cojinetes y la otra rueda también influyen.
Un balanceo satisfactorio no demuestra que un rotor modificado tenga una separación aceptable entre sus modos de flexión y el rango de funcionamiento, ni que sus cojinetes sean estables. Para una modificación destinada a mejorar las prestaciones, solicite la validación de la combinación concreta de ruedas, eje y cojinetes.
Al seleccionar un CHRA de reemplazo o un kit de reparación, verifique que coincida con la identificación del turbo y las especificaciones del conjunto. Una apariencia similar no es evidencia suficiente de compatibilidad dinámica.
Preguntas frecuentes
¿La velocidad crítica de un turbo es la velocidad máxima segura del eje?
No. La velocidad crítica se refiere a la resonancia entre una excitación y un modo del rotor. La velocidad máxima admisible del eje también depende de la resistencia de las ruedas, la temperatura, los cojinetes y otros límites de diseño. Un cálculo de velocidad crítica no permite establecer un límite seguro de sobrevelocidad.
¿Puede haber resonancia en el turbo aunque esté correctamente balanceado?
Sí. El balanceo reduce la fuerza que excita la vibración síncrona, pero no elimina los modos naturales del rotor. El desbalance residual, otras fuerzas de excitación y el comportamiento de los cojinetes siguen siendo relevantes. Un buen balanceo y una amortiguación adecuada actúan conjuntamente.
¿Todos los cruces en un diagrama de Campbell indican un problema?
No. Un cruce identifica una posible condición de resonancia. La excitación debe acoplarse a ese modo, y el movimiento resultante depende de la magnitud de la fuerza, la amortiguación y las condiciones de funcionamiento. Las evaluaciones de respuesta y estabilidad determinan si el cruce es relevante.
¿Una rueda compresora más grande cambia la velocidad crítica?
Puede hacerlo. La masa de las ruedas, su distribución y su inercia influyen en los modos del rotor y en su comportamiento giroscópico. El sentido y la magnitud del cambio dependen del conjunto completo. Una comprobación satisfactoria del balanceo, por sí sola, no valida el diseño de un rotor modificado para mejorar sus prestaciones.
¿El torbellino de aceite es lo mismo que una velocidad crítica 1X?
No. El torbellino de aceite es una inestabilidad subsíncrona asociada a las fuerzas de los cojinetes de película fluida. Una velocidad crítica 1X corresponde a una excitación a la frecuencia de rotación del eje que coincide con un modo natural compatible. Ambos fenómenos pueden causar vibraciones, pero requieren enfoques de diagnóstico diferentes.
¿Se puede identificar la velocidad crítica del turbo por un silbido?
No de forma fiable. Un silbido puede deberse a vibraciones del rotor, al flujo de aire, a fugas o a otra fuente. Para identificar una respuesta de velocidad crítica, se necesitan datos de velocidad del eje y mediciones adecuadas de vibración, idealmente con seguimiento de la amplitud y la fase durante un barrido controlado de velocidad.
¿Cómo elegir un CHRA para mi turbo?
Elija un CHRA que coincida con la identificación de su turbo y las especificaciones del conjunto. Una unidad puede encajar físicamente y, aun así, cambiar el comportamiento del rotor, por lo que la apariencia por sí sola no es suficiente. Consulte qué se balanceó, si la unidad ensamblada se sometió a pruebas de vibración y qué criterios de aceptación se utilizaron.
Para obtener ayuda con la identificación de opciones de reemplazo, comuníquese con LeadTurbo e indique el número de pieza de su turbocompresor, los datos del vehículo y los síntomas.
