Oil whirl vs. oil whip: inestabilidad por película de aceite

La inestabilidad por película de aceite es de las fallas más traicioneras en turbomaquinaria con cojinetes hidrodinámicos. Tras un cambio de temperatura del aceite o de carga, una máquina estable puede mostrar de un día para otro una componente subsíncrona que crece rápido, sin que el global alarme a tiempo.

Aquí explicamos qué es el oil whirl, en qué se diferencia del oil whip, cómo reconocerlos en el espectro, la cascada y la órbita, y qué hacer cuando aparecen.

El mecanismo: una fuerza que empuja de lado

En un cojinete liso, el eje no gira centrado. Bajo carga se desplaza hacia un lado y forma una cuña de aceite convergente que genera presión y lo sostiene. Ese desplazamiento se mide como excentricidad: cuanto más cargado está el cojinete, más se acerca el eje a la pared.

Pero la fuerza del aceite no apunta solo contra el desplazamiento: tiene también una componente perpendicular, en el sentido de giro. En rotodinámica se modela como rigidez cruzada (cross-coupled stiffness): si mueves el eje hacia abajo, el aceite lo empuja también hacia un lado. Esa fuerza tangencial alimenta un movimiento de precesión hacia adelante, y si supera al amortiguamiento disponible, el sistema se vuelve inestable.

¿Por qué la frecuencia queda cerca de la mitad de la velocidad? Porque el aceite se arrastra con la superficie del eje, mientras el cojinete está quieto. La velocidad media circunferencial del fluido queda en algo menos de la mitad de la del eje, por las pérdidas y la presión que se genera. Por eso la componente del whirl aparece típicamente entre 0.40X y 0.48X, y no exactamente en 0.5X.

Oil whirl vs. oil whip

Oil whirl: la componente subsíncrona sigue a la velocidad del rotor. Si la máquina acelera, la frecuencia sube manteniendo una proporción casi constante (por ejemplo, 0.45X). La amplitud puede ser moderada y la órbita sigue siendo controlada por el cojinete.

Oil whip: cuando la velocidad de giro llega a ser aproximadamente el doble de la primera velocidad crítica, la frecuencia del whirl coincide con esa crítica. A partir de ahí la componente se engancha a la primera crítica: aunque la máquina siga acelerando, la frecuencia deja de subir. El rotor vibra en su primer modo, con poco amortiguamiento, y la amplitud puede llegar a ocupar buena parte del claro del cojinete. Es peligroso: roces, daño al babbitt y fatiga del eje.

Un rasgo típico del whip es la histéresis: una vez establecido, al bajar la velocidad suele persistir por debajo del punto donde apareció.

Rasgo	Oil whirl	Oil whip
Frecuencia	~0.40–0.48X, proporcional a la velocidad	Fija en la primera crítica
Relación con la velocidad	Sube con las rpm	No cambia al subir las rpm
Cuándo aparece	Cojinete poco cargado, a cualquier velocidad	Velocidad superior a ~2 veces la primera crítica
Amplitud	Moderada, puede ser intermitente	Grande, puede ocupar gran parte del claro
Riesgo	Aviso temprano	Daño en poco tiempo

Cómo se ve en los datos

Espectro

En el espectro aparece un pico subsíncrono claro, separado del 1X. Prueba cómo se combina con 1X y 2X y en qué momento cruza el nivel de alarma:

Si la relación entre la frecuencia del pico y la velocidad se mantiene a distintas rpm, piensa en whirl. Si la frecuencia en Hz se queda fija y coincide con la crítica conocida del arranque, piensa en whip.

Cascada

La cascada (waterfall) es la gráfica que mejor cuenta la historia. Se apilan espectros tomados a distintas velocidades durante un arranque o un paro:

El 1X sube en diagonal; el whirl es otra diagonal con menos de la mitad de pendiente. Cuando esa diagonal alcanza la frecuencia de la primera crítica, se dobla y se vuelve vertical: eso es el whip. Para ubicar con precisión la crítica conviene revisar el Bode y el polar del mismo transitorio; lo explicamos en análisis de arranques y paros con diagramas Bode y polar.

Órbita

Con las dos sondas X e Y y el Keyphasor, la órbita sin filtrar muestra lazos internos: el eje da casi dos vueltas por cada ciclo de precesión subsíncrona. La precesión es directa (en el sentido de giro) y los puntos de Keyphasor no se quedan quietos, porque la componente no es un múltiplo exacto de la velocidad.

DesbalanceDesalineaciónRoceInestabilidad

La línea central del eje también ayuda: un eje que flota cerca del centro del cojinete, con excentricidad baja y ángulo de actitud grande, es candidato al whirl. Para repasar lazos, precesión y marcas de fase, mira cómo interpretar órbitas del eje.

Qué la favorece

Lo que más influye en la práctica:

• Baja carga del cojinete. Rotores ligeros, máquinas verticales, cambios de carga en cajas de engranes o una desalineación que descarga un cojinete dejan el eje cerca del centro, con excentricidad baja. Es la condición clásica.
• Viscosidad del aceite. Un aceite más frío y viscoso tiende a centrar el eje y, en muchos casos, lo vuelve menos estable. Un cambio en la temperatura de suministro o en el grado del aceite puede bastar para que aparezca.
• Holgura y desgaste. Un cojinete gastado o fuera de tolerancia cambia la geometría de la cuña y el amortiguamiento. Conviene revisar holgura y carga juntas.
• Velocidad. Subir la velocidad (por ejemplo, tras un rerate) acerca la máquina al umbral del whip.

No toda subsíncrona es oil whirl

Antes de cambiar un cojinete, descarta otros mecanismos por debajo de 1X:

• Roce. Puede generar 1/2X, 1/3X y armónicos, con la órbita truncada o recortada. Un roce severo puede dar precesión inversa (dry whip), algo que el espectro completo (full spectrum) ayuda a separar.
• Inestabilidad aerodinámica o de sellos. En compresores de alta presión, los sellos laberinto y las fuerzas aerodinámicas del impulsor también producen rigidez cruzada. Suele engancharse a la primera crítica como el whip, pero su amplitud depende de la presión de descarga o de la carga del proceso, no tanto de la temperatura del aceite.
• Stall rotativo. Aparece a bajo caudal en compresores centrífugos, con una frecuencia subsíncrona que depende de las condiciones de flujo y que suele verse también en sondas de presión o de carcasa. Desaparece al volver a un caudal adecuado.

La pregunta clave es qué variable la mueve: temperatura del aceite y carga del cojinete (fluido en el cojinete), presión de descarga (sellos o aerodinámica), caudal (stall) o contacto (roce). Para un repaso de estas firmas en conjunto, mira cómo detectar fallas en turbocompresores.

Cómo actuar

De inmediato

1. Confirma la medición: el pico debe verse en X e Y, con precesión directa.
2. Compara la amplitud con el claro del cojinete. Una subsíncrona que ocupa una fracción grande del claro diametral es motivo de acción rápida, aunque el global esté por debajo de la alarma.
3. Revisa el aceite: temperatura de suministro, presión y caudal. Subir algunos grados la temperatura de suministro, dentro de lo que permite el fabricante, suele reducir el whirl en cojinetes lisos.
4. Revisa la carga: cambios de proceso, de alineación o de carga en engranes que puedan haber descargado el cojinete.
5. Si hay whip, bajar la velocidad no siempre basta por la histéresis. Evita operar sostenidamente en esa condición y define con operaciones un criterio claro de paro.

De diseño

• Cojinetes de zapatas basculantes (tilting pad). Cada zapata pivota y se orienta sola, por lo que la rigidez cruzada es prácticamente nula. Es la solución estándar en turbomaquinaria de alta velocidad.
• Geometrías anti-whirl en cojinetes fijos: lobulados (lemon bore), de mitades desplazadas o con presa de presión (pressure dam). Todas buscan aumentar la carga efectiva sobre la película.
• Ajustar la carga: corregir alineación o la distribución de carga entre cojinetes, o reducir la longitud del cojinete para aumentar la presión específica.
• Análisis de estabilidad según API 617 y API 684 cuando se cambian condiciones de operación, sellos o cojinetes.

Cómo lo hacemos en RotorMetrics

Tomamos la señal de tu sistema de protección existente, por ejemplo un Bently Nevada 3500, sin intervenirlo. Vigilamos de forma continua la banda subsíncrona, las órbitas y la línea central, no solo el global. Si aparece una componente cerca de 0.45X, nuestros especialistas la relacionan con la temperatura del aceite, la carga y la velocidad, y te avisan con una recomendación concreta antes de que se convierta en whip.

Fuentes

• Bently, D. E. y Hatch, C. T. Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics. Bently Pressurized Bearing Press, 2002.
• Eisenmann, R. C. Sr. y Eisenmann, R. C. Jr. Machinery Malfunction Diagnosis and Correction. Prentice Hall, 1998.
• Muszynska, A. Rotordynamics. CRC Press, 2005.
• American Petroleum Institute. API RP 684: API Standard Paragraphs Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing.
• American Petroleum Institute. API 617: Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors.
• ISO 20816-1: Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines.