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

Este artículo pertenece a una serie., el cual constituye el material de apoyo para el curso de análisis de vibraciones en turbomaquinaria. Los enlaces a los otros artículos se pueden encontrar aquí.

A análise de vibrações é uma das ferramentas mais poderosas para o diagnóstico do estado mecânico de turbomáquinas — turbinas a vapor e a gás, compressores centrífugos, bombas de grande porte e outros equipamentos rotativos críticos. Durante décadas, o espetro de frequências obtido por Transformada Rápida de Fourier (FFT) a partir de um único sinal de vibração tem sido a base do diagnóstico. Sin embargo, esta abordagem tradicional, embora útil, esconde uma informação crucial: la sentido de precessão do veio dentro da folga do rolamento ou chumaceira.

É precisamente para colmatar esta lacuna que surge o conceito de espectro completo (espectro completo), uma técnica que combina os sinais de dois transdutores de proximidade montados perpendicularmente entre si (tipicamente a 90°, configuração X-Y) para reconstruir o movimento orbital completo do veio e revelar informação que o espetro convencional, por sí mismo, não consegue fornecer.

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

As limitações do espetro tradicional

Numa máquina equipada com sensores de proximidade sem contacto (probes de corrente induzida), é comum instalar dois transdutores radiais desfasados 90° num mesmo plano de medição. Tradicionalmente, cada sinal é processado de forma independente: obtém-se um espetro do canal X e um espetro do canal Y, cada um mostrando amplitude versus frequência.

O problema é que o espetro convencional é calculado a partir de um sinal real (unidimensional) mi, por construção matemática, é sempre simétrico — a energia associada a uma determinada frequência aparece de forma idêntica quer o movimento seja considerado “positivo” quer “negativo” nesse eixo. Um espetro real, por sí mismo, não distingue entre precessão direta (forward) e precessão retrógrada (reverse ou backward) do veio dentro da chumaceira. Esta distinção é fundamental, porque muitos mecanismos de falha em turbomáquinas manifestam-se precisamente através do sentido em que o veio orbita.

O conceito de espetro completo

O espetro completo resolve esta limitação tratando o par de sinais X-Y não como duas grandezas separadas, mas como as componentes real e imaginária de um único sinal complexo:

z(t) = x(t) + j·y(t)

Ao aplicar a Transformada de Fourier a este sinal complexo, obtém-se um espetro que já não é simétrico. En vez de eso, para cada frequência de interesse, a energia divide-se entre uma componente de frequência positiva (associada à precessão direta, no mesmo sentido de rotação do veio) e uma componente de frequência negativa (associada à precessão retrógrada, em sentido contrário à rotação).

En la práctica, o gráfico de espetro completo apresenta-se com o eixo das frequências a estender-se para valores negativos e positivos, e a altura de cada linha espetral em cada lado indica a amplitude da órbita associada a esse sentido de precessão naquela frequência. A diferença entre as amplitudes forward e backward, a su momento, permite ainda inferir a forma da órbita (circular, elíptica) sem necessidade de observar diretamente o gráfico de órbita no domínio do tempo.

Figura 1 — Os dois transdutores de proximidade, montados em quadratura (90°) no mesmo plano transversal ao veio, fornecem os sinais x(t) e y(t) que são combinados no sinal complexo z(t) = x(t) + j·y(t).

Figura 2 — Enquanto o espetro tradicional (canal único, sinal real) apresenta apenas amplitude por frequência positiva, o espetro completo separa a energia de cada frequência em componente forward (direita) e backward (esquerda), revelando o sentido de precessão.

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.

Interpretação prática: forward versus backward

Precessão direta (forward): o centro do veio orbita no mesmo sentido da rotação do próprio veio. É o comportamento “normal” esperado na maioria das máquinas saudáveis, associado tipicamente ao desequilíbrio residual (1x rotação).

Precessão retrógrada (backward ou reverse): o centro do veio orbita em sentido contrário ao da rotação. Este comportamento é anómalo na maior parte das situações e está associado a mecanismos de falha específicos.

Ao representar o espetro completo, cada componente de falha pode ser caracterizada não só pela sua frequência e amplitude, mas também pelo seu sentido predominante de precessão — uma terceira dimensão de diagnóstico que o espetro simples não oferece.

Figura 3 — Na precessão direta (forward), o centro do veio orbita no mesmo sentido da rotação ω; na precessão retrógrada (backward), a órbita ocorre em sentido contrário.

Relación entre la órbita y el espectro completo.

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

Aplicações no diagnóstico de turbomáquinas

1. Instabilidades em chumaceiras hidrodinâmicas (oil whirl e oil whip)

Talvez a aplicação mais valiosa do espetro completo seja na deteção de instabilidades de película de óleo em chumaceiras de deslizamento (journal bearings), comuns em turbomáquinas de grande porte. O torbellino de aceite manifesta-se tipicamente entre 0,40 mi 0,48 veces la velocidad, com precessão direta forte, y el látigo de aceite ocorre quando esta componente se “trava” na primeira frequência natural do rotor. O espetro completo permite confirmar inequivocamente que se trata de precessão direta subsíncrona, distinguindo estas condições de outras causas de vibração subsíncrona que poderiam produzir amplitudes semelhantes no espetro tradicional, mas com assinaturas de sentido de precessão diferentes.

Figura 4 — Exemplo ilustrativo de espetro completo com pico dominante forward a ≈0,47x a velocidade de rotação, assinatura característica de oil whirl. A amplitude backward residual e baixa confirma uma órbita quase circular com precessão claramente direta.

2. Atrito rotor-estator (rub)

Situações de roçamento entre o rotor e componentes estacionários (labirintos, selagens, selecciones) geram frequentemente componentes subsíncronas ou combinações de harmónicas com precessão retrógrada, especialmente em casos de rub severo e mantido. A presença de energia significativa do lado backward do espetro completo, coincidindo com sintomas térmicos ou de temperatura de chumaceira, é um forte indicador de contacto mecânico.

3. Fissuras no veio (cracked shaft)

Veios fissurados podem gerar componentes a 2x a velocidade de rotação com características de precessão que se alteram com a carga e a velocidade da máquina. A análise do sentido de precessão desta componente ao longo de rampas de arranque e paragem, visualizada através de gráficos de cascata de espetro completo (full spectrum waterfall), ajuda a diferenciar uma fissura de outras causas de vibração a 2x, como desalinhamento severo.

4. Desalinhamento e folgas mecânicas

Desalinhamentos acentuados e folgas excessivas em chumaceiras ou suportes também produzem assinaturas características no espetro completo, frequentemente com órbitas fortemente elípticas (grande diferença entre as componentes forward e backward na frequência fundamental), ajudando a diferenciar estes problemas de um simples desequilíbrio, que tende a produzir órbitas mais circulares.

Resumo de aplicações do Espetro 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.

Vantagens sobre a abordagem tradicional

• Deteção do sentido de precessão, informação inexistente no espetro real simples.
• Diagnóstico diferencial mais robusto, permitindo distinguir fenómenos que produzem espetros de amplitude semelhantes mas mecanismos físicos distintos (por ejemplo, oil whirl versus rub subsíncrono).
• Caracterização da forma orbital diretamente no domínio da frequência, sem necessidade de inspeção manual de órbitas ponto a ponto.
• Compatibilidade com técnicas de tendência, como cascatas e mapas de Bode/polares, permitindo acompanhar a evolução do comportamento dinâmico ao longo de arranques, paragens e da vida útil da máquina.

Requisitos práticos de implementação

Para aplicar corretamente a análise de espetro completo, é necessário:

• Instalar dois transdutores de proximidade radiais, desfasados idealmente 90° no mesmo plano de medição transversal ao veio.
• Garantir a correta identificação da convenção de sinal e do sentido de rotação da máquina, para que a interpretação forward/backward seja consistente.
• Utilizar sistemas de aquisição e software capazes de processar os dois canais como um par correlacionado (sinal complexo), e não apenas de forma independente.
• Assegurar sincronismo temporal rigoroso entre os dois canais, já que qualquer desfasamento espúrio introduz erro na reconstrução da órbita.

conclusión

O espetro completo representa uma evolução natural e significativa relativamente ao espetro de frequências tradicional na análise de vibrações de turbomáquinas. Ao explorar a informação conjunta de dois transdutores ortogonais e reconstruir o sinal como uma grandeza complexa, esta técnica revela o sentido de precessão do veio — uma dimensão de diagnóstico ausente na análise espetral clássica — permitindo identificar com maior confiança fenómenos como instabilidades de película de óleo, roçamentos rotor-estator, fissuras de veio e desalinhamentos severos. Em máquinas críticas equipadas com chumaceiras hidrodinâmicas, a sua utilização é hoje considerada boa prática e uma ferramenta indispensável no arsenal do engenheiro de diagnóstico vibracional.