Perfiles de Rotores

La geometría de los rotores de un compresor de tornillo impacta directamente en la eficiencia, la fiabilidad y el ruido. Entender el diseño de los rotores ayuda a evaluar y comparar compresores.

Fundamentos de los Rotores

Rotores Macho vs Hembra

Vista en sección transversal:

    Rotor Macho              Rotor Hembra
   (típicamente 4 lóbulos)     (típicamente 6 estrías)

        ╱──╲                   ╱╲
       ╱    ╲                 ╱  ╲
      │      │              ╱    ╲
       ╲    ╱              │      │
        ╲──╱                ╲    ╱
                            ╲╱

Componente	Rotor Macho	Rotor Hembra
Lóbulos típicos	4	6
Rol	Impulsa	Impulsado (en la mayoría de los diseños)
Velocidad	Mayor	Menor (relación 4/6)
Desgaste	Mayor (mayor velocidad en la punta)	Menor

Parámetros Geométricos Clave

Combinación de Lóbulos (relación L/G):

$$\text{Relación de velocidad} = \frac{\text{Estrías hembra}}{\text{Lóbulos macho}} = \frac{6}{4} = 1.5$$

Combinaciones comunes:

• 4/6 (la más común, buen equilibrio)
• 5/6 (eficiencia premium)
• 5/7 (aplicaciones especializadas)
• 3/5 (diseño compacto)

Ángulo de Envolvimiento: La extensión angular de la hélice desde la succión hasta la descarga.

$$\text{Ángulo de envolvimiento} = \frac{L}{D} \times 360°$$

Donde:

• L = Longitud del rotor
• D = Diámetro del rotor

Ángulo de Envolvimiento	Característica
200-250°	Estándar, buena eficiencia
300°+	Mayor relación de compresión, más etapas

Evolución del Perfil

Primera Generación: Perfil Simétrico (SRM)

Desarrollado por Svenska Rotor Maskiner (SRM) en las décadas de 1930-1950.

Perfil simétrico (simplificado):

    ╭───╮
   ╱     ╲       Características:
  │   ●   │      - Arcos circulares
   ╲     ╱       - Perfil macho/hembra igual
    ╰───╯        - Eficiencia moderada

• Simple de fabricar
• Estableció la tecnología
• Eficiencia ~70-75%

Segunda Generación: Perfil Asimétrico

Mejoras de 1970-1980.

Perfil asimétrico:

    ╭───╮
   ╱     ╲       Características:
  │   ●    ╲     - Diferentes lados de succión/descarga
   ╲       │     - Área de "blow-hole" reducida
    ╰─────╯      - Mejor sellado

Mejora	Beneficio
"Blow-hole" reducido	Menos fugas internas
Línea de contacto optimizada	Mejor sellado
Eficiencia	75-82%

Tercera Generación: Perfiles Modernos

Desde la década de 1990 hasta el presente: diseños optimizados por computadora.

Perfiles Modernos Comunes:

Perfil	Desarrollador	Características
Sigma	Kaeser	Velocidad de punta reducida, bajo ruido
N-profile	Atlas Copco	Optimizado para libre de aceite
GHH	GHH-Rand	Alta eficiencia lubricado
Holroyd	Varios	Optimización matemática

Perfil moderno optimizado (conceptual):

    ╭─────╮
   ╱   ●   ╲     Características:
  │    │    │    - Curvas generadas por computadora
   ╲   │   ╱     - Rutas de fuga minimizadas
    ╰──┴──╯      - Optimizado para un servicio específico

Impacto del Diseño del Perfil en el Rendimiento

Área del "Blow-Hole"

El área triangular donde el lóbulo macho, la estría hembra y la carcasa se encuentran.

"Blow-hole" (ruta de fuga):

  Carcasa
  ═══════╗
         ║╲
  Macho───╬──╲───Hembra
         ║   ╲
         ║    ╲
  ═══════╝     ╲
               ↑
          "Blow-hole"
          (el aire regresa)

Factor	Efecto
"Blow-hole" más grande	Más fugas, menor eficiencia
"Blow-hole" más pequeño	Menos fugas, mejor eficiencia

Los perfiles modernos reducen el área del "blow-hole" en un 30-50% en comparación con el SRM original.

Longitud de la Línea de Contacto

La línea de sellado entre los rotores.

$$\text{Efectividad del sellado} \propto \text{Longitud de la línea de contacto}$$

Línea de contacto más larga = mejor sellado = menos fugas

Velocidad de la Punta

$$V_{tip} = \pi \times D \times N$$

Donde:

• D = Diámetro del rotor (m)
• N = Velocidad (rev/s)

Velocidad de la Punta	Efecto
< 30 m/s	Silencioso, bajo desgaste
30-50 m/s	Operación estándar
> 50 m/s	Alto desgaste, ruido, calor

Construcción del Rotor

Materiales

Aplicación	Material	Propiedades
Lubricado	Hierro fundido	Económico, desgaste adecuado
Lubricado (premium)	Aleación de acero	Mayor resistencia, precisión
Libre de aceite	Acero inoxidable	Resistente a la corrosión
Libre de aceite	Aluminio recubierto	Ligero, expansión térmica

Recubrimientos para Rotores Libres de Aceite

Dado que los rotores libres de aceite no tienen película lubricante:

Recubrimiento	Propiedades
PTFE (Teflón)	Baja fricción, vida útil limitada
Cerámico	Duro, duradero
Carburo de silicio	Dureza extrema
A base de níquel	Bueno en general

Tolerancias de Fabricación

Parámetro	Tolerancia Típica
Precisión del perfil	±0.01 mm
Diámetro del rotor	±0.02 mm
Distancia entre centros	±0.01 mm
Acabado superficial	Ra 0.8-1.6 μm

La Precisión Importa

Un aumento de 0.05 mm en la holgura puede reducir la eficiencia en un 2-3%.

Holguras

Holguras Internas

Ubicaciones clave de holgura:

  ┌─────────────────────────────┐
  │     ╭───╮     ╭───╮        │
  │    ╱     ╲───╱     ╲       │
  │◄─►│   ●   │─│   ●   │◄─►  │ Holgura radial
  │    ╲     ╱───╲     ╱       │
  │     ╰───╯     ╰───╯        │
  │         ▲   ▲              │
  │         │   │              │
  └─────────│───│──────────────┘
            │   │
      Holgura interlobular

Holgura	Valor Típico	Efecto del Aumento
Radial (rotor-carcasa)	0.05-0.15 mm	Fugas, menor eficiencia
Interlobular (rotor-rotor)	0.05-0.10 mm	Fugas, riesgo de contacto
Axial (rotor-placa final)	0.05-0.15 mm	Fugas

Consideraciones de Expansión Térmica

Las holguras deben tener en cuenta el crecimiento térmico:

$$ΔL = α \times L \times ΔT$$

Donde:

• α = Coeficiente de expansión térmica
• L = Longitud original
• ΔT = Cambio de temperatura

Los compresores libres de aceite requieren holguras mayores debido a:

• No hay refrigeración por aceite
• Temperaturas de funcionamiento más altas
• Diferentes tasas de expansión macho/hembra

Comparación de Eficiencia por Generación de Perfil

Generación	Eficiencia Típica	Potencia Específica
1ra (SRM)	70-75%	7.5-8.5 kW/100 CFM
2da (Asimétrico)	75-82%	6.5-7.5 kW/100 CFM
3ra (Moderno)	82-90%	5.5-6.5 kW/100 CFM
VSD Premium	85-92%	5.0-6.0 kW/100 CFM

Al Evaluar Compresores

Pregunte a los proveedores por la potencia específica (kW por 100 CFM o por m³/min) en sus condiciones de funcionamiento. Esto tiene en cuenta la eficiencia del rotor más las pérdidas del motor y del variador.

Puntos de Inspección Visual

Durante el mantenimiento, inspeccione los rotores en busca de:

Condición	Indica
Marcas de rayado	Ingesta de contaminación
Picaduras	Corrosión (problema de calidad del aceite)
Patrones de desgaste	Problemas de cojinetes o alineación
Depósitos	Degradación del aceite, problemas de refrigeración
Marcas de contacto	Pérdida de holgura, problemas térmicos