Vibrações relativas e absolutas em turbomáquinas

Neste artigo explica-se porque se medem as vibrações relativas e absolutas em turbomáquinas.

Este artigo pertence a uma série, que constitui o material de suporte do curso de análise de vibrações em turbomáquinas. As ligações para os outros artigos podem ser encontradas aqui.

A medição de vibrações relativas em turbomáquinas

Em 1970, o American Petroleum Institute definiu a medição do deslocamento relativo entre o veio e a chumaceira, com sonda de proximidade, como o sensor de medição para medir o deslocamento da vibração aceitável do veio, durante os testes de aceitação em fábrica. Isto foi adicionado como um requisito na sua norma para compressores centrífugos.

A medição de vibração no veio, usando sondas de proximidade, tornou-se o padrão da indústria para testes de aceitação de turbomáquinas e proteção de máquinas. A sonda de proximidade de correntes de eddy tornou-se o método preferido para avaliar a vibração e a condição mecânica geral em grandes turbomáquinas que empregam chumaceiras de pelicula de metal antifricção. Tais máquinas e tipos de chumaceiras são responsáveis pela grande maioria dos compressores, turbinas, bombas, motores elétricos, geradores e outros equipamentos rotativos superiores a 1.000 HP, e podem ser encontrados em abundância.

As vantagens da sua utilização são as seguintes:

• Sem contato;
• Mede a vibração relativa do veio relativamente à chumaceira;
• Instalados aos pares medem a posição da linha central do veio (folga DC);
• Instalados aos pares medem a órbita;
• Resposta de frequência plana DC – 10KHz;
• Calibração simples;
• Adequado para ambientes agressivos.

As limitações destas medidas

As limitações desta medida são:

• Estes sensores, medindo a vibração relativa do veio relativamente à chumaceira, nunca medem mais que uma amplitude pico-pico, igual à folga diametral da chumaceira.
• Por outro lado, este parâmetro não dá uma ideia da força gerada no veio, a atuar na chumaceira.

A variação do comportamento da chumaceira quando sobem as vibrações

Quando a amplitude da vibração do deslocamento do veio aumenta, é reduzida a espessura da película de lubrificante entre o veio e a chumaceira de metal antifricção.

A excentricidade do veio, que é a razão entre a distância entre o centro de rotação e o centro geométrico do veio, a dividir pela folga diametral, aumenta.

A variação da rigidez da pelicula de óleo

A rigidez é a força necessária para comprimir uma mola através de uma unidade de distância (força/distância), em Newton/metro.

A rigidez dos suportes do rotor, as chumaceiras, é muito importante, tal como a rigidez do próprio rotor. Em conjunto com a base, constituem um circuito estrutural que tem de ser considerado como um sistema. No entanto, neste caso, vai-se ver as propriedades da película de lubrificante da chumaceira.

A seguir pode-se ver um gráfico qualitativo de parâmetros de uma chumaceira de metal antifricção, versus a relação de excentricidade do moente do veio.

• A rigidez, K, e o amortecimento, D, são mínimos quando o moente se encontra no centro da chumaceira (excentricidade zero),
• São aproximadamente constantes para rácios de excentricidade baixos.
• À medida que o moente se aproxima da superfície da chumaceira (a excentricidade aproxima-se de um), a rigidez K e o amortecimento D, aumentam drasticamente.
• λ comporta-se de forma oposta. λ é o chamado Rácio de Velocidade Média Circunferencial do Fluído. É uma medida adimensional da circulação do fluído à volta do rotor.

Vibrações relativas e absolutas em turbomáquinas – Figura 1 – Rigidez e amortecimento em função da excentricidade, numa chumaceira de metal antifricção de uma turbomáquina.

Quando se observa para a relação de excentricidade das chumaceiras de metal antifricção, na figura anterior, pode-se ver que tanto a rigidez como o amortecimento da película aumentam exponencialmente à medida que o rotor se aproxima da superfície da chumaceira (excentricidade=1). A viscosidade do óleo também se altera de forma não linear com o aumento da temperatura do óleo de cisalhamento.

Ou seja, quando as amplitudes das vibrações relativas aumentam, a rigidez da película de óleo aumenta e as forças geradas no veio, começam a deixar de ser amortecidas, e a ser mais bem transmitidas às chumaceiras.

A medição de vibrações absolutas em chumaceiras de metal antifricção

Tem-se assim que, para avaliar as forças geradas no veio e transmitidas às chumaceiras, a medição das vibrações absolutas, é mais adequada que a medição de vibrações relativas.

Referências

Damping and stiffness, a primer, Drew Devitt, Turbomachinery International, 12, 2017