Una medida importante hecha con el analizadores de vibración es el de arranques y paradas de turbomaquinaria y espectro completo.

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El análisis de vibraciones es una de las herramientas más potentes para diagnosticar el estado mecánico de las turbomáquinas: turbinas de vapor y de gas., compresores centrífugos, bombas grandes y otros equipos rotativos críticos. Durante décadas, el espectro de frecuencias obtenido por la Transformada Rápida de Fourier (FFT) a partir de una única señal de vibración ha sido la base del diagnóstico. Sin embargo, este enfoque tradicional, aunque útil, oculta información crucial: la dirección de precesión de la vena dentro del rodamiento o la holgura del rodamiento.

Es precisamente para llenar este vacío que el concepto de espectro completo (espectro completo), una técnica que combina las señales de dos transductores de proximidad montados perpendicularmente entre sí (normalmente a 90°, configuración XY) reconstruir el movimiento orbital completo del eje y revelar información que el espectro convencional, por sí mismo, no puede proporcionar.

el espectro convencional

el espectro convencional, o medio espectro, muestra la amplitud de la vibración en el eje vertical frente a la frecuencia de la vibración en el eje horizontal. Se construye utilizando la forma de onda de base de tiempo muestreada de un solo transductor.

Turbomaquinaria y Espectro Completo – Figura 1 – Espectro convencional y espectro completo

Las limitaciones del espectro tradicional

En una máquina equipada con sensores de proximidad sin contacto (sondas de corriente inducida), Es común instalar dos transductores radiales desfasados ​​90° en el mismo plano de medición.. Tradicionalmente, cada señal se procesa de forma independiente: Se obtienen un espectro de canal X y un espectro de canal Y., cada uno muestra amplitud versus frecuencia.

El problema es que el espectro convencional se calcula a partir de una señal real (unidimensional) mi, por construcción matemática, es siempre simétrico: la energía asociada con una frecuencia dada aparece idénticamente si se considera el movimiento “positivo” el quiere “negativo” en este eje. Un espectro real, por sí mismo, no distingue entre precesión directa (adelante) y precesión retrógrada (hacia atrás o hacia atrás) del eje dentro del rodamiento. Esta distinción es fundamental, porque muchos mecanismos de falla en las turbomáquinas se manifiestan precisamente a través de la dirección en la que orbita el eje..

El concepto de espectro completo

El espectro completo resuelve esta limitación al tratar el par de señales X-Y no como dos cantidades separadas, sino como los componentes reales e imaginarios de una única señal compleja:

z(t) =x(t) + j y(t)

Aplicando la Transformada de Fourier a esta señal compleja, se obtiene un espectro que ya no es simétrico. En vez de eso, para cada frecuencia de interés, la energía se divide entre un componente de frecuencia positiva (asociado con la precesión directa, en el mismo sentido de rotación del eje) y un componente de frecuencia negativo (asociado con precesión retrógrada, en sentido contrario a la rotación).

En la práctica, el gráfico de espectro completo se presenta con el eje de frecuencia extendiéndose a valores negativos y positivos, y la altura de cada línea espectral a cada lado indica la amplitud de la órbita asociada con esa dirección de precesión a esa frecuencia. La diferencia entre amplitudes hacia adelante y hacia atrás., a su momento, También permite inferir la forma de la órbita. (circular, elíptico) no es necesario observar directamente el gráfico de órbita en el dominio del tiempo.

Figura 1 — Los dos transductores de proximidad, montado en cuadratura (90°) en el mismo plano transversal al eje, proporcionar las señales x(t) e y(t) que se combinan en la señal compleja z(t) =x(t) + j y(t).

Figura 2 — Mientras que el espectro tradicional (canal único, señal real) solo presenta amplitud por frecuencia positiva, El espectro completo separa la energía de cada frecuencia en un componente directo. (bien) e al revés (izquierda), revelando el significado de la precesión.

Turbomaquinaria y Espectro Completo – la tuya capacitación

El espectro completo utiliza formas de onda de un par ortogonal de transductores de vibración (generalmente en relación con el eje). El espectro completo muestra la frecuencia y la dirección de la precesión en el eje horizontal.

• Las frecuencias de precesión directo se muestran a la derecha del origen
• Las frecuencias de precesión inversa se muestran a la izquierda del origen.

Turbomaquinaria y Espectro Completo – Figura 2 – La formación del Full Spectrum

El espectro completo es el espectro de una órbita., y los pares de componentes de frecuencia directa e inversa representan componentes de órbita (órbitas filtradas). La relación de amplitudes de pares de componentes de espectro completo proporciona información sobre la elipticidad y la dirección de precesión de los componentes., características importantes para la solución de problemas. Sin embargo, no hay información sobre la orientación de la órbita.

Interpretación práctica: adelante versus atrás

precesión directa (adelante): El centro del eje orbita en la misma dirección que la rotación del propio eje.. es el comportamiento “normal” esperado en la mayoría de las máquinas saludables, típicamente asociado con un desequilibrio residual (1x rotación).

precesión retrógrada (hacia atrás o hacia atrás): el centro del eje orbita en dirección opuesta a la rotación. Este comportamiento es anómalo en la mayoría de situaciones y está asociado con mecanismos de falla específicos..

Al representar todo el espectro, Cada componente de falla se puede caracterizar no solo por su frecuencia y amplitud, sino también por su predominante sentido de precesión, una tercera dimensión del diagnóstico que el espectro simple no ofrece..

Figura 3 — En precesión directa (adelante), el centro del eje orbita en la misma dirección que la rotación ω; en precesión retrógrada (hacia atrás), la órbita ocurre en la dirección opuesta.

Relación entre la órbita y el espectro completo.

En el siguiente vídeo se puede ver la relación entre la órbita y el espectro completo.

Aplicaciones en el diagnóstico de turbomáquinas.

1. Inestabilidades en cojinetes hidrodinámicos. (torbellino de aceite y látigo de aceite)

Quizás la aplicación más valiosa del espectro completo sea la detección de inestabilidades de la película de aceite en cojinetes lisos. (cojinetes lisos), Común en turbomáquinas grandes.. O torbellino de aceite normalmente se manifiesta entre 0,40 mi 0,48 veces la velocidad, com fuerte precesión directa, y el látigo de aceite ocurre cuando este componente “césped” en la primera frecuencia natural del rotor. El espectro completo nos permite confirmar inequívocamente que se trata de precesión directa subsincrónica., distinguir estas condiciones de otras causas de vibración subsincrónica que podrían producir amplitudes similares en el espectro tradicional, pero con diferentes firmas de sentido de precesión.

Figura 4 — Ejemplo ilustrativo de espectro completo con pico directo dominante a una velocidad de rotación de ≈0,47x, firma característica del remolino de aceite. La amplitud residual y baja hacia atrás confirma una órbita casi circular con precesión claramente directa..

2. Fricción rotor-estator (frotar)

Situaciones de fricción entre el rotor y los componentes estacionarios. (laberintos, sellos, selecciones) A menudo generan componentes subsíncronos o combinaciones de armónicos con precesión retrógrada, especialmente en casos de roce severo y mantenimiento. La presencia de energía significativa en el lado posterior del espectro completo., Coincidiendo con síntomas térmicos o de temperatura del rodamiento., es un fuerte indicador de contacto mecánico.

3. Grietas en el eje (eje agrietado)

Los ejes divididos pueden generar componentes a una velocidad de rotación 2x ​​con características de precesión que cambian con la carga y la velocidad de la máquina.. Análisis de la dirección de precesión de este componente a lo largo de rampas de inicio y parada., visualizado a través de gráficos en cascada de espectro completo (cascada de espectro completo), ayuda a diferenciar una grieta de otras causas de vibración a 2x, como desalineación severa.

4. Desalineación y juego mecánico

Las desalineaciones graves y el juego excesivo en los rodamientos o soportes también producen firmas características en todo el espectro., a menudo con órbitas fuertemente elípticas (Gran diferencia entre los componentes hacia adelante y hacia atrás en la frecuencia fundamental.), ayudando a diferenciar estos problemas de un simple desequilibrio, que tiende a producir órbitas más circulares.

Resumo de aAplicaciones de espectro completo

En la siguiente tabla puede ver cómo aparecen los síntomas de diferentes anomalías en el espectro completo.

mesa 1 – Síntomas de varias anomalías de espectro completo

tipo de falla		frecuencia	Dirección de rotación		comentarios
			directo	Inversa
desequilibrio		1X	+	En presencia de rigidez de soporte anisótropo	El componente directo es fundamental para el equilibrio. El componente inverso se puede reducir reduciendo el componente anterior..
fuerza radial unidireccional		1X	+	+	Con carga radial creciente, los componentes directos en 1X y 2X disminuyen, las componentes inversas en 1X y 2X aumentan; la elipticidad de las órbitas 1X y 2X aumenta.
		2X	+	+
fricción parcial		1X	+	+	Los componentes 1X y 2X se comportan de manera similar a la carga radial unidireccional: aumento de la amplitud de la componente inversa y disminución de la amplitud de la componente directa al aumentar la severidad del rozamiento. Una cosa a tener en cuenta es la rotación del eje principal de la órbita filtrada.. Los componentes 1/2X, 1/3X, … aparecerá si la velocidad de rotación es mayor que, correspondentemente, 2, 3, … veces la frecuencia natural modificada por fricción del rotor. Estas frecuencias subsincrónicas tienen componentes hacia adelante y hacia atrás.. Las órbitas filtradas correspondientes son demasiado elípticas, y las componentes inversas pueden ser predominantes.
		2X	+	+
		1/2X, 1/3X, ….	+	+
fricción anular completa	respuesta forzada	1X	+	-	Dependiendo de la fricción seca entre el impulsor y el sello, la susceptibilidad del sellador, amortiguamiento y desequilibrio, el sistema puede mostrar una respuesta forzada, predominantemente 1X adelante, o una respuesta autoexcitada, predominantemente inversa.
	respuesta auto excitada	Frecuencia natural del sistema acoplador rotor-sellador	-	+
torbellino de aceite		λX λ=0,3 a 0.6	+	-	Órbita predominantemente directa con bucles internos (una combinación de tourbillon y componentes 1X). Se refleja a través del espectro como un componente subsíncrono directo.
Látigo de aceite		Excitación de la frecuencia natural del rotor.	+	+	Órbita predominantemente directa con bucles internos (una combinación de látigo y componentes 1X). ordinariamente, algunos componentes 1X inversos y subsincrónicos están presentes debido a la anisotropía de la rigidez del pedestal del rodamiento.

Ventajas sobre el enfoque tradicional

• Detección de dirección de precesión, información que no existe en el espectro real simple.
• Diagnóstico diferencial más robusto, permitiendo distinguir fenómenos que producen espectros de amplitud similares pero mecanismos físicos distintos (por ejemplo, giro de aceite versus frotamiento subsíncrono).
• Caracterización de la forma orbital directamente en el dominio de la frecuencia., no es necesario realizar una inspección manual de las órbitas punto por punto.
• Compatibilidad con técnicas de tendencia., como cascadas y mapas Bode/polares, permitiendo monitorear la evolución del comportamiento dinámico a lo largo de las salidas., tiempo de inactividad y vida útil de la máquina.

Requisitos prácticos de implementación

Para aplicar correctamente el análisis de espectro completo, es necesario:

• Instale dos transductores de proximidad radiales, Idealmente desfasado 90° en el mismo plano de medición transversal al eje.
• Asegurar la correcta identificación de la convención de signos y dirección de rotación de la máquina., para que la interpretación hacia adelante/hacia atrás sea consistente.
• Utilizar sistemas de adquisición y software capaces de procesar ambos canales como un par correlacionado (señal compleja), y no solo de forma independiente.
• Garantizar una estricta sincronización temporal entre los dos canales., ya que cualquier retraso espurio introduce error en la reconstrucción de la órbita.

conclusión

El espectro completo representa una evolución natural y significativa respecto al espectro de frecuencia tradicional en el análisis de vibraciones de turbomáquinas.. Explotando la información conjunta de dos transductores ortogonales y reconstruyendo la señal como una cantidad compleja, Esta técnica revela la dirección de la precesión del eje, una dimensión de diagnóstico ausente en el análisis espectral clásico, lo que permite identificar con mayor confianza fenómenos como las inestabilidades de la película de aceite., roce rotor-estator, Grietas en el eje y desalineaciones severas.. En máquinas críticas equipadas con cojinetes hidrodinámicos, Su uso ahora se considera una buena práctica y una herramienta indispensable en el arsenal del ingeniero de diagnóstico vibratorio..