AXILINEEquilibrado de rotores y rodetes de compresores centrífugos en el lugar de explotación
El compresor centrífugo no perdona la aproximación. Las revoluciones son altas, el rotor suele ser flexible, los apoyos son de aceite, y una parte considerable de la vibración no viene de la masa, sino del gas. Llegamos para medir y separar las causas: la componente de giro (la vibración exactamente a la frecuencia de rotación, se denota 1x), la zona subsíncrona (frecuencias por debajo de la de giro), la frecuencia de paso de álabes, el régimen de trabajo. Equilibramos lo que realmente se puede equilibrar in situ, y sobre el resto entregamos un informe con cifras.
Tres construcciones de rotor y tres respuestas distintas
«Compresor centrífugo» en una instalación significa, como mínimo, tres máquinas distintas, y la cuestión del equilibrado in situ se resuelve por separado para cada una. No nos fijamos en la placa de características, sino en cuántos rodetes hay en el eje, cómo está cerrada la carcasa y si entre el accionamiento y el rotor hay un multiplicador —un reductor que aumenta la velocidad—.
Todo se reduce a una pregunta: si existe un plano de corrección al que se pueda llegar sin desmontar la parte de flujo.
Máquina de una etapa con rodete en voladizo
El rodete queda fuera del apoyo de rodamiento, y la carcasa se retira o se abre una trampilla. El único grupo en el que el equilibrado del rodete in situ es realista. El desequilibrio viene de la adherencia de producto, la erosión, la soldadura de reparación o el reposicionamiento del rodete en el eje. Planos de corrección: los orificios roscados de fábrica del disco principal, el anillo de equilibrado, la tuerca del rodete, el semiacoplamiento en el extremo opuesto.
Rotor multietapa con carcasa partida horizontalmente
Varios rodetes en un eje común entre dos apoyos de rodamiento. Se retira la mitad superior de la carcasa, pero los planos de corrección están en la parte de flujo, y los rodetes están montados con ajuste forzado. No se pueden tocar sin un protocolo del fabricante. In situ le quedan el semiacoplamiento y el extremo libre del eje, y eso no basta ni mucho menos siempre.
Carcasa tipo barril
El rotor solo se extrae como paquete interno, completo, por el extremo. No hay ningún acceso a los planos de corrección en la instalación. Este tipo de rotor se equilibra en condiciones especializadas, normalmente montado y con control durante el arranque.
Máquina con multiplicador integrado
Los rodetes van en los extremos de ejes-piñón que giran accionados por la rueda común del multiplicador. Las revoluciones del eje de alta velocidad se miden en decenas de miles por minuto, y en cada medición aparece también la frecuencia de engrane de la transmisión. El equilibrado de este tipo de eje no se hace in situ. En la instalación trabajamos con la línea de baja velocidad, el accionamiento y el acoplamiento.
Anote el número de álabes de cada rodete y la relación de transmisión del multiplicador. Sin estos dos datos, el espectro de una máquina compresora solo se lee a medias: no podrá separar la frecuencia de paso de álabes (el número de álabes multiplicado por las revoluciones) de la de engrane, y confundirá ambas con otra cosa.
Revoluciones y tolerancia: por qué aquí el margen es más corto
La fuerza generada por la masa desequilibrada crece con el cuadrado de la velocidad angular. En una máquina que gira varias veces más rápido que un ventilador, el mismo gramo al mismo radio carga el apoyo de rodamiento muchas veces más. De ahí dos consecuencias prácticas.
La primera: la tolerancia de desequilibrio residual de estos rotores está entre las más estrictas, y no se toma por analogía con la máquina de al lado, sino de los requisitos del fabricante y de la parte aplicable de la norma ISO 21940 en su edición vigente. Cómo se elige la clase de precisión se explica en otro artículo.
La segunda: aquí la masa de prueba es peligrosa. En un ventilador se coloca una masa de prueba con margen y se ve qué resulta. En un rotor de alta velocidad, esa misma masa puede sacar el nivel por encima del umbral de protección, sobrecargar el apoyo y dañar el punto de fijación. Calculamos la masa de prueba a partir del nivel inicial y del incremento de fuerza admisible, no por costumbre.
- Elegimos la masa de prueba de modo que la respuesta se lea con claridad y el incremento de carga sobre el apoyo se mantenga en una fracción razonable del peso del rotor.
- El radio de instalación lo registramos real, medido en la máquina, no según el plano.
- Fijación solo de fábrica: orificios roscados, tornillos y anillos de equilibrado. En un rotor de alta velocidad quedan excluidos el adhesivo y el punteado de soldadura.
- Los umbrales de alarma y de protección por vibración se acuerdan con su departamento antes del primer arranque de prueba.
- Si el fabricante limita la masa total de las masas de corrección o el número de orificios ocupados, trabajamos dentro de ese límite y lo hacemos constar en el protocolo.
Fuentes: ISO 21940-11:2016
Rotor flexible y velocidades críticas
El método de los coeficientes de influencia, sobre el que se basa cualquier equilibrado in situ, exige una respuesta repetible. El rotor debe reaccionar igual ante la misma masa de un arranque a otro. Un rotor rígido gira con margen por debajo de la primera velocidad crítica —las revoluciones a las que el rotor entra en resonancia y se flexiona—: la forma de la flexión no cambia, y la corrección hallada se mantiene.
El rotor de un compresor centrífugo suele trabajar por encima de la primera velocidad crítica. Se flexiona, y la forma de la flexión depende de la velocidad. Una masa que elimina la vibración a las revoluciones de trabajo puede aumentar la amplitud al atravesar la velocidad crítica en el siguiente arranque. Un rotor así necesita un equilibrado por formas modales: varios planos y varias velocidades, no dos pruebas de arranque en la instalación.
Lo decisivo es la parada libre: la medición durante el descenso libre de revoluciones tras desconectar el accionamiento. Registramos la amplitud y la fase (posición angular) de la componente de giro durante el arranque y la parada libre, localizamos las velocidades críticas y evaluamos el margen hasta el régimen de trabajo. Si el pico está cerca y la fase en las revoluciones de trabajo varía de un arranque a otro, no habrá un resultado estable in situ, y lo diremos el mismo día. Un análisis detallado del comportamiento de los rotores flexibles está en el artículo sobre la velocidad crítica.
Aparte, revisamos la flexión térmica. El gas caliente y el calentamiento irregular del eje cambian la componente de giro a medida que la máquina alcanza su régimen. La medición la hacemos solo con el estado térmico ya estabilizado, y registramos la temperatura. La máquina fría y la máquina caliente son dos objetos distintos, y comparar sus cifras no tiene sentido.
Fuentes: ISO 21940-12:2016
Cojinetes de deslizamiento: qué le hacen a sus cifras
Casi todas estas máquinas van montadas sobre cojinetes de deslizamiento. La película de aceite amortigua, y la carcasa del apoyo transmite hacia fuera menos de lo que el eje hace dentro de la holgura. Las cifras absolutas en la carcasa parecen modestas incluso con un movimiento apreciable del eje.
Esto afecta poco al propio equilibrado: la amplitud y la fase de la componente de giro se leen bien en la carcasa. Pero afecta mucho a la evaluación del estado. Si la máquina tiene proximitores de fábrica —sensores sin contacto que siguen el desplazamiento del eje dentro de la holgura—, contrastamos nuestras cifras con el desplazamiento relativo del eje, y tomamos las normas de la parte aplicable de la ISO 20816 según su tipo de máquina, potencia, revoluciones y tipo de apoyos. Las zonas para la vibración de carcasa y para el desplazamiento del eje son escalas distintas, y no se pueden mezclar.
- Temperatura y presión del aceite a la entrada del apoyo, marca y viscosidad, estado del refrigerador de aceite.
- Holgura en el apoyo y precarga de los segmentos, si el apoyo es de tipo segmentado.
- Carga sobre el apoyo. Un apoyo poco cargado es el escenario clásico para la inestabilidad de la película de aceite.
- Posición axial del rotor y estado del cojinete de empuje.
- Temperatura de la carcasa del apoyo y límite admisible para el acelerómetro con fijación magnética.
- Canales de monitorización de fábrica: proximitores, sensor de fase, umbrales vigentes.
Fuentes: ISO 20816-1:2016 · ISO 281:2007
Zona subsíncrona: dónde termina el desequilibrio
El desequilibrio vive exactamente en la frecuencia de giro. Todo lo que está por debajo de ella no tiene relación con el equilibrado, y en un compresor centrífugo la zona subsíncrona está densamente poblada. La analizamos antes de sacar las masas.
| Qué se ve en la medición | Qué suele ser | Qué se hace con ello |
|---|---|---|
| Pico aproximadamente entre 0,4 y 0,5 de la frecuencia de giro, que sigue a las revoluciones cuando estas cambian | Torbellino de aceite: inestabilidad de la película de aceite en el cojinete de deslizamiento | Holgura, viscosidad, temperatura y presión del aceite, carga sobre el apoyo. El equilibrado no ayuda |
| El pico subsíncrono deja de seguir a las revoluciones, se queda fijo cerca de la primera crítica, la amplitud crece | Látigo de aceite: el torbellino se ha acoplado a la forma de flexión del rotor | Parada y análisis junto con su departamento. Es un estado peligroso, no un motivo para poner masas |
| Componente subsíncrona aproximadamente entre 0,7 y 0,9 de las revoluciones, que aparece al reducir el caudal | Desprendimiento rotativo en la parte de flujo o en el difusor | Punto de trabajo, álabes directrices, recirculación. No se corrige con masas |
| Oscilaciones de presión y caudal de frecuencia muy baja, la máquina «respira», el flujo se invierte | Bombeo (surge): inestabilidad del sistema compresor y red | Regulación antibombeo, régimen, tuberías. No tiene relación con el desequilibrio |
| Pico en el número de álabes multiplicado por las revoluciones, y sus armónicos | Frecuencia de paso de álabes y pulsaciones de gas, holgura pequeña entre rodete y difusor, acústica del colector | Régimen, holguras, apoyos de la tubería de impulsión |
| Pico en la frecuencia de engrane del multiplicador con bandas laterales | Desgaste o defecto de la transmisión | Diagnóstico de la transmisión. El equilibrado se hace por cada eje por separado |
| Predomina la componente de giro, la fase se repite de un arranque a otro, el nivel no depende del régimen | Desequilibrio | Equilibrado, si hay un plano de corrección accesible |
La última fila es la más útil. Una vibración indiferente a la válvula, el caudal y la presión es mecánica, y esa es la que reducimos con masas. Todo lo que cambia junto con el régimen se resuelve por el lado del proceso. Cómo leer el espectro paso a paso se explica en nuestro artículo sobre el espectro de vibración.
Fuentes: ISO 13373-3:2015
Cómo se desarrolla la visita
- 01
Acordamos los límites de la intervención antes de la visita
Reunimos los datos: tipo de máquina, revoluciones de cada eje, relación de transmisión, número de álabes, tipo de apoyos, presencia de proximitores, requisitos del fabricante. Aquí mismo decidimos qué se puede tocar. Si la respuesta es «nada», vamos a hacer diagnóstico, y usted lo sabe de antemano.
- 02
Medición inicial en régimen estabilizado
Dos acelerómetros en los apoyos de rodamiento, magnético sobre una superficie limpia y plana, dirección radial-horizontal e igual en todos los arranques. Sensor láser de fase sobre la marca reflectante del eje que se está equilibrando. En una máquina con multiplicador, una marca en el eje equivocado invalida toda la medición.
- 03
Arranque y parada libre
Registramos la amplitud y la fase de la 1x al cambiar las revoluciones, localizamos las velocidades críticas, las resonancias del bastidor y de las tuberías, y evaluamos el margen hasta el régimen de trabajo.
- 04
Separación de causas
Comparamos el nivel total con la componente de giro, analizamos la zona subsíncrona, el segundo armónico junto con la vibración axial, las frecuencias de paso de álabes y de engrane, la zona de alta frecuencia de los rodamientos. Si el desequilibrio no se confirma, nos detenemos aquí. Es un desenlace normal y frecuente.
- 05
Equilibrado de lo accesible
Si el desequilibrio se confirma y el plano de corrección está accesible, procedemos con la masa de prueba por el método de los coeficientes de influencia: según la respuesta de la máquina a la masa de prueba, el programa calcula la masa y el ángulo de corrección. Un plano son un arranque inicial y uno de prueba; dos planos, un arranque inicial y dos de prueba, más el de control. Cada arranque implica parada, despresurización y apertura del acceso.
- 06
Arranque de control y ajuste
Repetimos en el mismo régimen y a la misma temperatura. Si el nivel ha bajado pero no se ha alcanzado el valor objetivo, el programa calcula un complemento para las masas ya instaladas. Guardamos los coeficientes de influencia: el siguiente ajuste se hará sin repetir las pruebas de arranque.
- 07
Informe
Entregamos las cifras de antes y después por cada apoyo, los espectros y la señal en el tiempo, las condiciones de la medición, los lugares y las masas de las correcciones, así como una lista aparte de lo que el equilibrado no corrige, con prioridades según la urgencia.
No empezamos las pruebas de arranque hasta comprobar que la componente de giro aporta la mayor parte del nivel y que su fase se repite. En un rotor de alta velocidad, una masa de prueba al azar no es una hora perdida, sino un riesgo.
Fuentes: Manual de operación Balanset-1A
Qué se equilibra realmente in situ
A continuación, los planos con los que trabajamos en un grupo compresor sin intervenir en la parte de flujo. La lista es más corta de lo que gustaría, pero cada punto es operativo.
- Rodete en voladizo de una máquina de una etapa, a través de una trampilla abierta o con la carcasa retirada, usando los orificios roscados de fábrica del disco.
- El semiacoplamiento y sus pernos de equilibrado. Tras reparar el acoplamiento, la fuente de una componente de giro alta a menudo reside precisamente aquí.
- El extremo libre del eje y el anillo de equilibrado de fábrica, si el diseño los contempla.
- El rotor del motor eléctrico de accionamiento. Una máquina aparte, con su propio acceso y sus propios planos, y su equilibrado a veces resuelve el problema por completo.
- La polea y el volante en los grupos con accionamiento por correa.
- El ventilador del refrigerador de aceite y el ventilador de refrigeración del motor. Un detalle menor que estropea con seguridad las cifras de todo el bastidor.
El equilibrado es el último paso, no el primero. Primero la fijación y la pata floja (el apoyo no uniforme de la pata de la máquina sobre el bastidor), después la alineación de ejes, después una nueva medición. La desalineación es la causa, la alineación de ejes es la acción, y este orden no se puede alterar.
Fuentes: Especificaciones del fabricante Balanset-1A
Dónde nos detenemos y lo decimos claramente
Una parte considerable de los rotores de compresores centrífugos no se equilibra en la instalación, sino en condiciones especializadas, en equipos de equilibrado y según el programa del fabricante, a menudo con arranque hasta las revoluciones de trabajo. Esto no es prudencia nuestra, sino física y normativa. Se lo advertimos antes de la visita, no después.
En la instalación, en esos casos, resultamos útiles de otra manera. La medición con amplitud, fase, espectro y parada libre responde a la pregunta principal: si el problema es o no un desequilibrio. A menudo resulta que no, y entonces un rotor desmontado habría ido al taller en vano.
- Rotor multietapa en carcasa partida y cualquier rotor en carcasa tipo barril: los planos de corrección están dentro de la parte de flujo.
- Ejes-piñón de alta velocidad de una máquina con multiplicador integrado.
- Rotor flexible por encima de la primera crítica: hace falta un equilibrado por formas modales a varias velocidades.
- El fabricante prohíbe la intervención y el rotor no tiene lugares de equilibrado de fábrica.
- El rotor está dañado: eje curvado, grieta o erosión importante del rodete, junta destruida. Primero, reparación.
- No se puede llevar la máquina a un régimen de trabajo estable para el arranque de control, o las revoluciones fluctúan.
- La causa es del proceso: bombeo, desprendimiento rotativo, pulsaciones de álabes, funcionamiento lejos del punto de diseño.
- Zona con riesgo de explosión o entorno caliente, donde no es posible un acceso seguro al plano durante el funcionamiento.
Qué se resuelve in situ y qué solo en el taller lo hemos explicado en otro artículo sobre cómo elegir entre el equilibrado in situ y en taller. En las máquinas compresoras, la frontera pasa por el acceso al plano y por el comportamiento del rotor, no por el tamaño de la máquina.
Protocolo, precio y preparación
Separamos la evaluación del estado y el resultado del equilibrado. El programa dice «dentro de tolerancia» cuando la componente de giro residual está por debajo del valor objetivo fijado. El estado del grupo se evalúa según la parte aplicable de la ISO 20816, fijando la edición, los puntos, la banda de frecuencias, el régimen y el tipo de apoyos. La calidad del equilibrado del rotor se evalúa por el desequilibrio residual y la clase de precisión según la ISO 21940. Son tres tolerancias distintas, y no las mezclamos.
el diagnóstico de vibraciones con informe cuesta 300 EUR por grupo, el equilibrado añade desde 250 EUR, la factura mínima por visita es de 500 EUR. El total depende del número de rotores y planos, de la distancia a la instalación y del tiempo de acceso. El cálculo exacto lo da la calculadora de la web, y tras una breve conversación confirmamos la cifra. Nuestra base está en Vila Nova de Gaia, cerca de Oporto, y realizamos visitas en toda Portugal. Trabajan ingenieros que diseñan y fabrican los equipos Balanset y los usan ellos mismos para el equilibrado in situ.
- Tipo de máquina: de una etapa en voladizo, multietapa con carcasa partida, carcasa tipo barril, con multiplicador integrado.
- Revoluciones de cada eje y relación de transmisión del multiplicador.
- Número de álabes de los rodetes.
- Tipo de apoyos de rodamiento y presencia de proximitores de fábrica con sus umbrales.
- Cifras actuales de vibración, puntos y direcciones de medición, historial de los últimos meses.
- Requisitos del fabricante sobre la intervención en el rotor y sobre los lugares de instalación de las masas.
- Régimen: caudal, presión de entrada y de impulsión, posición de la válvula antibombeo, temperatura del gas.
- Fotos de la máquina con los apoyos, el acoplamiento, la trampilla y el accionamiento.
- Ventana en la que se puede parar la máquina, y dirección de la instalación.
Si por los datos y las fotos se ve que la tarea no se puede resolver in situ, lo diremos por escrito. Una visita innecesaria no beneficia a ninguna de las partes, y un desplazamiento solo para una medición se justifica únicamente cuando esa medición realmente resuelve la cuestión.
Fuentes: ISO 20816-1:2016 · ISO 21940-11:2016
Preguntas frecuentes
¿Se puede equilibrar in situ el rotor de un compresor centrífugo multietapa?
En la práctica, no. Los rodetes están dentro de la carcasa y montados con ajuste forzado, los planos de corrección están en la parte de flujo, y en una máquina con carcasa tipo barril no hay acceso en absoluto. Estos rotores se equilibran en condiciones especializadas según el programa del fabricante. In situ medimos, localizamos las velocidades críticas en la parada libre, separamos el desequilibrio, el torbellino de aceite, la desalineación y las causas del proceso, y equilibramos lo que es accesible desde fuera: el semiacoplamiento, el extremo libre del eje, el rotor del motor de accionamiento.
Tenemos una máquina con multiplicador, con vibración en el eje de alta velocidad. ¿Qué se puede hacer?
El eje-piñón de alta velocidad no se equilibra in situ: las revoluciones son de decenas de miles por minuto, la tolerancia es estricta, y no hay acceso al rodete. Hacemos otra cosa. Colocamos la marca y el sensor de fase en el eje concreto, referenciamos cada línea del espectro a su frecuencia de giro, y separamos la frecuencia de engrane de la transmisión con sus bandas laterales de la componente de giro y de la frecuencia de paso de álabes. Con los resultados, usted entiende si se trata de un desequilibrio, de desgaste de la transmisión o de un problema en el apoyo. El equilibrado de la línea de baja velocidad y del accionamiento lo hacemos de inmediato.
En el espectro hay un pico subsíncrono de alrededor de 0,45 de las revoluciones. ¿Es desequilibrio?
No. El desequilibrio vive exactamente en la frecuencia de giro. Un pico aproximadamente entre 0,4 y 0,5 de las revoluciones en una máquina con cojinetes de deslizamiento es un torbellino de aceite, una inestabilidad de la película de aceite. Las causas están en la holgura, la viscosidad y la temperatura del aceite, la presión de suministro, la carga sobre el apoyo. El equilibrado no lo elimina y, además, enmascara la degradación del apoyo. Compruebe aparte si el pico sigue a las revoluciones. Si se ha quedado fijo cerca de la primera velocidad crítica y crece, ya es un látigo de aceite, y hay que parar la máquina.
La vibración aumenta cuando reducimos el caudal. ¿Ayudará el equilibrado?
Casi seguro que no. La dependencia del régimen es indicio de una causa del proceso. Cerca del límite de estabilidad aparece el desprendimiento rotativo en la parte de flujo y en el difusor, y más allá, el bombeo con inversión de flujo y oscilaciones de presión en todo el sistema. Aquí actúan el punto de trabajo, la regulación antibombeo y las tuberías. El desequilibrio es indiferente a la válvula: da la misma componente de giro y la misma fase en cualquier régimen.
¿Cuántas paradas hacen falta y cuánto tiempo llevará?
Un plano de corrección requiere un arranque inicial y uno de prueba; dos planos requieren un arranque inicial y dos de prueba, más el de control. Entre arranques, la máquina se para, se despresuriza y se abre el acceso al plano para reposicionar la masa. Una visita de diagnóstico sin equilibrado se resuelve en un arranque con parada libre. El calendario real lo marca su procedimiento de parada y el tiempo de apertura de la trampilla, no la medición, así que acordamos la ventana con antelación.
¿Hasta qué nivel reducen la vibración y con qué se confirma?
El valor objetivo de la componente de giro lo fijamos antes de empezar el trabajo y lo registramos en el protocolo. El estado general de la máquina se evalúa según la parte aplicable de la ISO 20816, con la edición, los puntos, la banda de frecuencias y el régimen fijados, y la calidad del equilibrado del rotor, por el desequilibrio residual y la clase de precisión según la ISO 21940. Prometer una cifra concreta de antemano sería poco honesto: la limitan el estado de los apoyos, el acceso a los planos, la cercanía de la velocidad crítica y la contribución de las causas del proceso. Lo que es alcanzable lo decimos después de la medición inicial y de la parada libre.
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Descríbanos el equipo y el problema
Responderemos a sus preguntas, concretaremos los datos iniciales y le diremos qué hace falta para el presupuesto y la visita.