Pruebas de velocidad de rotura para rotores de alta velocidad: normas y seguridad

Si te pasas el día rodeado de rotores de alta velocidad, ya conoces la incómoda verdad: cuando las cosas van mal, van mal rápido.

Las pruebas de velocidad de ráfaga consisten en dejar de adivinar y empujar deliberadamente un rotor hasta (y más allá de) sus límites para comprender cómo, cuándo y con qué violencia falla. Se encuentra en la intersección de la física, las normas y la seguridad humana real.

En esta guía repasaremos qué significa realmente la velocidad de ráfaga, cómo la definen las principales normas, qué aspecto tiene un buen programa de pruebas y cómo asegurarse de que nadie salga perjudicado en el proceso. El objetivo no es sólo "pasar la auditoría", sino construir una filosofía de pruebas que su futuro yo y sus datos de campo le agradecerán.

• Obtendrá el máximo provecho de este artículo si es así:
  • Un diseñador de turbomaquinaria, aeroespacial o de motores eléctricos que desee márgenes de ruptura realistas.
  • Un ingeniero de pruebas o de aseguramiento de la calidad que planifica pruebas de rotación/explosión y redacta procedimientos
  • Ingeniero de seguridad/certificación con referencia a las normas API, FAA, EASA o ISO.
  • Un ingeniero de fabricación intenta relacionar la variabilidad de la producción con la capacidad de sobrevelocidad
  • Un responsable técnico que tiene que firmar que "sí, este rotor es seguro".

1. Velocidad de ráfaga vs sobrevelocidad vs "vida normal"

En primer lugar, aclaremos el vocabulario, porque cada norma utiliza un lenguaje diferente y es fácil que los equipos se pasen de la raya.

• Velocidad de funcionamiento - donde el rotor pasa la mayor parte de su vida útil.
• Velocidad máxima de funcionamiento continuo (MCOS) - la velocidad más alta a la que se puede estar mucho tiempo en servicio.
• Sobrevelocidad - a temporal superación de la velocidad permitida, por ejemplo, durante un transitorio, fallo, sobretensión o fallo de control. En muchas normativas sobre motores aeronáuticos, los rotores deben ser capaces de sobrevivir a determinadas situaciones de exceso de velocidad, a menudo en torno al 115-120% de sus velocidades permitidas, sin que se produzca un fallo peligroso.
• Velocidad de ráfaga - la velocidad de rotación a la que el rotor sufre un fallo catastrófico debido a la carga centrífuga. En la aeronáutica, se suele definir como la velocidad a la que el disco falla catastróficamente si se acciona por encima de su límite de diseño.

Las normas del sector convierten estos conceptos en requisitos específicos:

• API 617 (para compresores axiales y centrífugos y compresores expansores) establece los requisitos mínimos para compresores de proceso en los sectores petrolífero, químico y del gas. En el caso de los impulsores, las directrices y las prácticas de aseguramiento de la calidad asociadas suelen exigir que los ensayos de sobrevelocidad se realicen como mínimo a 115% de MCOS durante un minutocon controles dimensionales antes y después y END para verificar la ausencia de grietas.
• Normas aeronáuticas (FAR 33.27 / EASA CS-E 840) especifican niveles de exceso de velocidad como 120% de las velocidades máximas admisibles del rotor para la mayoría de las clasificaciones, 115% para determinadas clasificaciones de un motor inoperativo.y también observar las velocidades alcanzadas debido a fallos del sistema.

La prueba de ráfagas en sí es destructivo por definición. No se revientan todos los rotores de producción. En su lugar, se revienta el hardware representativo para ancla tu análisis: demuestras que cuando el modelo dice "aquí es donde muere", la realidad está de acuerdo, y que los márgenes predichos de vuelta a la sobrevelocidad y el MCOS son fiables.

• Principales definiciones
  • MCOS - Máxima velocidad de trabajo continuo permitida en funcionamiento normal.
  • Prueba de sobrevelocidad - Giro corto y no destructivo por encima de MCOS (por ejemplo, 115-120%) para probar la integridad y la estabilidad.
  • Prueba - Como el exceso de velocidad, pero a menudo más cerca de la velocidad de servicio: "muéstrame que sobrevive".
  • Prueba de rotura - Empuje deliberadamente el rotor hasta que se fracture, normalmente en un pozo de giro contenido.
  • Margen de sobrevelocidad - Relación entre la velocidad de prueba de sobrevelocidad y la velocidad MCOS (o velocidad de servicio de diseño).
  • Margen de ruptura - Relación entre la velocidad de ráfaga y la velocidad MCOS (o a veces velocidad de sobrevelocidad).

2. Normas y reglamentos: ¿quién dice qué?

Ningún documento es "dueño" de las pruebas de velocidad de rotura. En su lugar, existe un mosaico de normas y reglamentos que lo abordan desde distintos ángulos: resistencia de los componentes, seguridad del sistema y riesgo industrial.

Éstos son algunos de los más relevantes que verá en la práctica:

• API 617 - Compresores axiales y centrífugos y compresores expansores Define los requisitos mínimos para compresores en servicio de petróleo/productos químicos/gas. Exige pruebas de sobrevelocidad del impulsor (normalmente 115% de MCOS durante 1 minuto) con comprobaciones dimensionales y END antes y después de la prueba, pero normalmente deja los límites de aceptación detallados a las especificaciones del fabricante.
• FAA 14 CFR §33.27 & AC 33-27-1A - Fuerza del rotor del motor de la aeronave (exceso de velocidad) El reglamento define los requisitos de sobrevelocidad del rotor; la Circular Consultiva explica las formas aceptables de demostrar el cumplimiento mediante pruebas, análisis o ambos. El objetivo es claro: a sobrevelocidades definidas, el rotor no debe fallar de forma que cree un peligro para la aeronave.
• EASA CS-E 840 / aeroguía sobre márgenes de sobrevelocidad y reventón Similar en espíritu a las normas de la FAA, exigiendo que el sistema del rotor del motor resista condiciones especificadas de exceso de velocidad, con consideración explícita de las velocidades resultantes de fallos del sistema, y definiendo la velocidad de ráfaga para los cálculos del margen de seguridad.
• ISO 21789:2022 - Aplicaciones en turbinas de gas - Seguridad Una norma de seguridad a nivel de sistema que enumera peligros como el fallo de piezas giratorias y exige evaluaciones formales de riesgos y medidas de protección a lo largo del ciclo de vida de la turbina, haciendo referencia a la norma ISO 12100 y a métodos estructurados como FMEA y HAZOP.
• ISO 29461-3:2024 - Sistemas de filtros de admisión de aire - Integridad mecánica ("ensayo de rotura") Aunque se centra en los elementos filtrantes, es un ejemplo de cómo la ISO prescribe un método y un procedimiento para las pruebas de integridad mecánica hasta una presión final anormal, esencialmente una prueba de tipo rotura para los cartuchos filtrantes.

Para reconstruirlo, los ingenieros suelen hacer tres cosas:

1. Utilice normas por componentes (métodos de ensayo API, ISO, códigos de materiales) para definir cómo prueban la resistencia de los rotores.
2. Utilice normas de seguridad del sistema (ISO 21789, ISO 12100, normas de seguridad funcional de la empresa) para decidir qué ocurre si estalla un rotor y cómo se controla ese riesgo.
3. Utilice normas reglamentarias (FAA/EASA para aeronáutica, códigos locales para plantas industriales) para alinear los márgenes de sobrevelocidad y explosión con las expectativas de certificación.

Comparación rápida de referencias clave

• Cuando leas algo de esto, pregunta siempre:
  • ¿Este documento especifica exactamente niveles de sobrevelocidad y tiempos de permanencia¿o sólo "prueba de fuerza"?
  • ¿Requiere pruebas de ráfagas reales¿o basta con una demostración analítica validada de forma conservadora?
  • Son criterios de aceptación para cambios dimensionales y defectos definidos, o delegados en el fabricante?
  • ¿Aborda contención y los efectos a nivel de sistema de una explosión, o sólo el propio rotor?
  • ¿Cómo espera que gestione dispersión del material, variabilidad de la fabricación y reparaciones?

3. La física subyacente a la velocidad de ráfaga

Conceptualmente, la velocidad de explosión se produce cuando las tensiones centrífugas superan lo que el material y la geometría pueden soportar. A alta velocidad, cada pequeño volumen de material quiere salir volando; el disco o el cuerpo del rotor es lo que mantiene unidas todas esas piezas.

Puntos clave:

• El esfuerzo centrífugo aumenta aproximadamente con el cuadrado de la velocidad (ω²). Eso significa que pasar de una velocidad de 100% a 120% no supone un aumento de tensión de 20%, sino que puede estar más cerca de 40+%, dependiendo de la geometría.
• Tensión de aro (circunferencial) cerca de la perforación suele ser la magnitud crítica para los discos. La investigación sobre discos de turbinas aéreas y componentes similares suele evaluar la velocidad de ruptura utilizando criterios que relacionan la tensión media del aro con la resistencia a la tracción final del material (por ejemplo, los criterios de Robinson / Hallinan).
• La geometría importa mucho. Los taladros, chaveteros, agujeros de pernos, almas delgadas, raíces de abeto y ranuras de imanes crean zonas de concentración de tensiones que pueden desencadenar estallidos a velocidades inferiores a las que sugeriría un simple disco macizo.
• Comportamiento del material a temperatura (límite elástico, UTS, fluencia, fatiga de bajo ciclo) desplaza el límite efectivo de rotura. Los rotores calientes (turbinas, motores de alta velocidad) estallarán a velocidades más bajas que los fríos, en igualdad de condiciones.

La práctica moderna suele ser así:

1. Análisis por elementos finitos calcula las tensiones a distintas velocidades, incluyendo a veces la plasticidad y el comportamiento no lineal.
2. Criterios de explosión (como los métodos tipo Robinson/Hallinan) convierten esas tensiones más las propiedades del material en una velocidad de rotura prevista y un margen de seguridad.
3. Pruebas de giro/explosión en rotores representativos verifican que la velocidad de rotura real y el modo de fallo coinciden con las predicciones, dentro de las tolerancias. En el caso de los rotores de máquinas eléctricas de alta velocidad (20-25k rpm), los estudios muestran una buena correlación entre las predicciones del MEF y las pruebas de rotación cuando la deformación y las tensiones se miden cuidadosamente.

Si se hace bien, se cierra el círculo: los modelos predicen, las pruebas confirman, los márgenes se convierten en algo en lo que se confía y no en algo que se espera.

• Factores que se comen tranquilamente tu margen de ruptura
  • Local elevadores de tensiónfiletes afilados, reparaciones de soldadura, rasgos de electroerosión, cicatrices de roce
  • Dispersión de la fabricaciónVariaciones granulométricas, inclusiones, porosidad, tensiones residuales
  • Temperatura y entornofuncionamiento en caliente, oxidación, corrosión, fragilización por hidrógeno
  • Efectos de montajeAjustes de interferencia, colas de milano de cuchillas, pernos de anclaje, anillos de contracción
  • Historia operativafatiga de bajo ciclo, sobrecargas, sobrevelocidades transitorias, sobretensiones
  • Daños y FODMellas, abolladuras o pequeñas grietas "demasiado pequeñas para preocuparse".
  • Comportamiento no lineal ignorados en el análisis simple: plasticidad, fluencia, trinquete

4. Cómo se realizan realmente las pruebas de velocidad de ráfaga

Si nunca has visto una prueba de rotura, el concepto básico es simple, pero la ingeniería que hay detrás es cualquier cosa menos eso.

Una prueba típica de giro / estallido a alta velocidad para turbomaquinaria o discos de rotor se parece más o menos a esto:

1. El rotor está montado en un husillo flexible y suspendido en un cámara de vacío fuertemente blindada (configuración clásica de foso de giro de eje vertical). El eje flexible permite al rotor encontrar su propio eje de equilibrio sin un elaborado sistema de rodamientos.
2. El husillo es accionado por un turbina de aire comprimido o motor eléctrico de alta velocidadacelerando el rotor hasta alcanzar el perfil de velocidad deseado.
3. La cámara se bombea a baja presión -del orden de unos cientos de militorr- para reducir la resistencia aerodinámica, el calentamiento y disminuir el riesgo de explosiones de polvo o niebla de aceite si falla un rotor.
4. La instrumentación controla la velocidad, el crecimiento, la vibración y, a menudo, la tensión hasta que se alcanza la velocidad objetivo para un tiempo de permanencia especificado o hasta que el rotor estalla.

La energía cinética implicada es enorme. Un proveedor ilustra que un disco de acero pesado que gira a unas 18.000 rpm almacena una energía comparable a la de un camión de varias toneladas circulando a velocidad de autopista. Por eso la contención y el funcionamiento a distancia no son negociables.

Para rotores más grandes, las instalaciones especializadas utilizan estructuras tipo túnel o cámaras de vacío desplazables axialmente con protección antiexplosión integrada e insertos de acero para evitar el desgarro o el escape de fragmentos.

En el desarrollo de máquinas eléctricas de alta velocidad, a menudo se combinan programas de pruebas de rotación:

• Un primer prueba de rotura en los primeros rotores prototipo para establecer velocidades de prueba seguras.
• Varios pasos pruebas de sobrevelocidad / deformaciónen el que el rotor se hace girar en incrementos de velocidad, midiendo la expansión radial en múltiples puntos, antes de realizar un ensayo final de rotura en probetas separadas.

Cuanto más se acerque la configuración de la prueba a las condiciones límite reales del rotor (temperatura, restricciones, accesorios), más valiosos serán los datos de la ráfaga para el diseño y la certificación.

• Señales típicas que querrá capturar en una prueba de giro / ráfaga
  • Velocidad de rotación en función del tiempo - incluido el rebasamiento y el comportamiento en inercia
  • Crecimiento radial / expansión - mediante sondas de desplazamiento o métodos ópticos de campo completo
  • Cepa - galgas extensométricas tradicionales o cartografía del campo de deformación sin contacto para estructuras complejas
  • Vector de vibración - amplitud y fase; las desviaciones de la línea de base pueden indicar el inicio de una grieta
  • Temperatura - especialmente para pruebas de giro en caliente de rotores de turbinas o compresores
  • Vídeo de alta velocidad (en la medida de lo posible) - para comprender las trayectorias de los fragmentos y el rendimiento de la contención
  • Marcadores de eventos / señales de control - para alinear datos con pasos de velocidad, intervalos o anomalías específicos

5. Diseñar un programa de pruebas de velocidad de ráfaga que realmente ayude a la ingeniería

Las pruebas de ráfagas no deben ser un ritual que se realiza al final "porque lo dicen las especificaciones". Si lo tratas como un truco aislado, acabarás con un impresionante cráter en el pozo de giros y muy poco conocimiento del diseño.

Un programa de alto valor suele seguir esta lógica:

1. Partir del riesgo, no de la tradición. Utilice su análisis de seguridad a nivel de sistema (FMEA, HAZOP, evaluaciones de riesgos tipo ISO 21789) para identificar qué rotores son críticos para la seguridad y cómo podrían fallar.
2. Adaptar las normas a los casos de uso. ¿Vive su rotor en un compresor API 617, un motor aeronáutico certificado o una turbina de gas industrial? Las normas aplicables definen lo que se considera un comportamiento "aceptable" de sobrevelocidad y rotura.
3. Construye el mejor modelo que puedas (y admite sus límites). Ejecute el AEF con los modelos de material adecuados (incluida la plasticidad si es necesario), las tolerancias de fabricación y las cargas de interfaz. Utilice los criterios de rotura de la bibliografía como punto de partida, no como evangelio.
4. Elija artículos de prueba representativos. Incluya las geometrías más desfavorables (almas más delgadas, orificios más grandes), tolerancias extremas y cualquier condición reparada/revisada que existirá en servicio.

Añadir en ráfagas de desarrollo temprano (para aprender rápido) y ráfagas de cualificación más tarde (para probar los márgenes en el hardware casi final). En el caso de las máquinas eléctricas y otros rotores compactos de alta velocidad, los trabajos publicados muestran cómo la alternancia entre ensayos de deformación escalonada y ensayos finales de rotura proporciona una excelente correlación y confianza en la envolvente de diseño.

En última instancia, lo que se busca es un bucle de retroalimentación ajustado: simulación → pruebas de ráfagas específicas → actualizaciones de modelos → márgenes sólidos y documentados.

• Lista de comprobación práctica para la planificación de la prueba de ráfagas
  • Defina objetivos clarosPrueba de modelo, demostración reglamentaria, validación de contención o todo lo anterior.
  • Identifique normas y reglamentos aplicables (API, FAA/EASA, ISO 21789, especificaciones del cliente).
  • Realice (o vuelva a realizar) su evaluación de riesgos - FMEA, árboles de fallos, HAZOP - centrándose en escenarios de fallos de piezas giratorias.
  • Construir / actualizar Modelos FE del rotor y el conjunto; documentar los supuestos clave.
  • Especifique perfiles de velocidadrampas, tiempos de permanencia, mesetas de sobrevelocidad y estrategia de ráfaga final.
  • Diseño instalaciones y contención para reflejar las condiciones de contorno reales manteniendo los fragmentos encerrados de forma segura.
  • Defina instrumentación y adquisición de datos (qué, dónde, frecuencias de muestreo, disparadores).
  • Plan inspecciones antes y después de las pruebas (controles dimensionales, END, fractografía).
  • Decida de antemano cómo actualización de los márgenes de diseño en función de los resultados.

6. Seguridad: no opcional, no negociable

Las pruebas de giro y estallido son intrínsecamente peligrosas. De lo que se trata es de llevar un rotor hasta el punto de que se rompa a velocidades extremas. El riesgo se controla con ingeniería y disciplina, no con esperanza.

Pilares clave de la seguridad:

1. Contención por diseño
   • Para rotores medianos y grandes, se suelen recomendar largas naves de ensayo en forma de túnel con paredes y techos robustos para dirigir y absorber los fragmentos.
   • Para los rotores de hasta varias toneladas o alrededor de ~1,7 m de diámetro, se utilizan cámaras de vacío especializadas con protección contra explosiones integrada e insertos de acero para mantener la integridad incluso si grandes fragmentos golpean las paredes.
   • Los pozos de hilatura suelen estar revestidos de materiales más blandos (como el plomo) detrás de un blindaje de acero macizo para reducir la carga de choque cuando impactan los fragmentos.
2. Control de vacío y atmósfera
   • Realización de la prueba en bajo vacío reduce la resistencia aerodinámica y también disminuye el riesgo de ignición de polvo metálico o neblina de aceite durante un estallido.
   • Algunas instalaciones avanzadas pueden ejecutar atmósfera controlada (por ejemplo, mayor presión o mezclas de gases específicas) para estudios especializados de fatiga o rozamiento, pero esto conlleva un riesgo adicional de explosión e incendio y debe diseñarse con cuidado.
3. Accionamiento a distancia y enclavamientos
   • Los operadores permanecen detrás de pesadas barreras y controlan la prueba desde una sala de control separada.
   • Los enclavamientos impiden el giro a menos que las puertas estén cerradas, el vacío sea adecuado y los sistemas de parada de emergencia estén activados.
   • Las secuencias de parada de emergencia y apagado de emergencia (conceptos formalizados en normas como la ISO 21789) están diseñadas para que una sola acción pueda detener la prueba de forma segura en condiciones anormales.
4. Procedimientos, formación y control de cambios
   • Procedimientos escritos para recorridos normales, recorridos abortados y limpieza posterior al estallido.
   • Simulacros periódicos de situaciones de emergencia: sospecha de ruptura de la contención, pérdida de vacío, aceleración fuera de control.
   • Gestión estricta del cambio: cambiar una fijación, añadir una cuña o alterar el perfil de velocidad es un cambio controlado, no una improvisación.

Como la energía almacenada es tan alta, incluso los pequeños errores pueden tener consecuencias catastróficas. La buena noticia: cuando se combinan un diseño mecánico robusto, una buena evaluación de riesgos y operaciones disciplinadas, las instalaciones de centrifugado modernas pueden realizar pruebas de rotura extremadamente exigentes con un historial de seguridad muy sólido.

• Prácticas de seguridad no negociables en una instalación de centrifugado/explosión
  • Claramente definido zonas de exclusión; nadie entra en la celda de prueba durante los recorridos.
  • Mando a distancia de todas las funciones de prueba desde detrás de barreras balísticas.
  • Entrelazados puertas, sistemas de vacío y accionamiento - si algo está fuera de especificaciones, la prueba no se iniciará.
  • Protección redundante contra sobrevelocidad (tanto lógica de control como cortacircuitos de hardware independientes).
  • Inspección periódica de las estructuras de contención y las cámaras de vacío para detectar daños o fatiga.
  • Documentado procedimientos de parada de emergencia y frecuentes ejercicios de entrenamiento.
  • Control estricto de aceite, polvo y suciedad dentro de la cámara para reducir los riesgos de explosión.

7. Escollos comunes (y cómo evitarlos)

Incluso los equipos experimentados caen en algunas trampas tristemente comunes:

• Tratar el análisis como una verdad en lugar de como una hipótesis. Los elementos finitos de elasticidad lineal con datos de material ordenados le proporcionarán "velocidades de ruptura" que parecen muy precisas y pueden ser muy erróneas si ignora la plasticidad, la temperatura y los defectos.
• Utilizar las pruebas relámpago como examen único. Si su primera y única prueba de rotura se realiza en un rotor casi final al final del programa, habrá perdido la oportunidad de aprender a bajo coste. Las primeras pruebas de rotura a menor escala o simplificadas en geometrías clave suelen valer su peso en la reducción de riesgos del programa.
• Subinstrumentación de la prueba. Ver explotar un rotor a alta velocidad y sólo saber "explotó alrededor de la velocidad 165%" es científicamente desgarrador. Sin crecimiento, tensión, vibración y vídeo, en su mayor parte acabas de confirmar que tu contención funciona.
• Ignorar el comportamiento a nivel de sistema. Un rotor "seguro" que arroja fragmentos a una carcasa insegura, a una caja de cambios cercana o a los conductos de combustible no es seguro. Normas como la ISO 21789 obligan explícitamente a considerar el fallo de una pieza giratoria como un peligro para el sistema, no sólo como una propiedad del rotor.
• Olvidar la realidad de la producción. Es tentador reventar un prototipo bellamente mecanizado y cuidadosamente pulido y declarar la victoria. En la vida real hay piezas reparadas, tolerancias extremas y, de vez en cuando, materiales fuera de lo normal. La matriz de pruebas y los márgenes deben reflejar esa realidad desordenada.

El antídoto es sencillo pero no fácil: tratar cada prueba de ráfagas como un experimento, no como una casilla de verificación.

• "Antes de decir que este rotor es seguro, tenemos..."
  • Verificado que normas y reglamentos aplican y lo que realmente exigen.
  • Construido Modelos FE e hipótesis y limitaciones explícitamente documentadas.
  • Realizado al menos una ráfaga de calibración donde se compararon el análisis y la realidad.
  • Establecido márgenes cuantitativos de sobrevelocidad y ráfaga que incluyen la dispersión del material y las tolerancias.
  • Comprobado que contención y riesgo a nivel de sistema cumplir los objetivos de seguridad de la planta/aeronaves (por ejemplo, ISO 21789 y casos de seguridad internos).
  • Cómo se documentarán los resultados de las pruebas retroalimentación sobre los valores admisibles de diseño, los límites de inspección y los intervalos de mantenimiento.
  • Capturado y archivado todos los datos brutos de las pruebasno sólo parcelas resumidas.