Compreendendo o Oil Whirl
Oil whirl é um tipo de vibração auto-excitada e instável que ocorre em máquinas equipadas com mancais de filme fluido (munhão do eixo) — grandes turbinas, compressores e bombas, entre elas. É uma forma de instabilidade induzida por fluido instabilidade na qual o filme de óleo que suporta o eixo começa a empurrar o eixo ao redor da folga do mancal em um movimento circular para frente. Como esse giro ocorre em uma frequência abaixo da velocidade de operação da máquina (1×), é uma subsíncrono vibração — e, por ser auto-excitada, não requer uma função de força externa para se sustentar.
1. Definição: O que é Oil Whirl?
Diferentemente dos desbalanceamento, que é uma vibração síncrona (1×) vibração forçada, o oil whirl é uma vibração auto-excitada: a energia que o impulsiona vem da rotação constante do próprio eixo, alimentada através do filme de óleo do mancal. Essa distinção é importante diagnosticamente, porque instabilidades auto-excitadas podem aparecer subitamente, crescer rapidamente e não podem ser “balanceadas” como um desbalanceamento de 1×.
2. Características do Oil Whirl
O oil whirl possui várias assinaturas distintas e identificáveis nos dados de vibração:
- Frequência: o recurso mais proeminente é um pico de grande amplitude em uma frequência ligeiramente inferior à metade da velocidade de operação — tipicamente entre 0,4× e 0,48× (40% a 48% da velocidade do eixo). Em uma máquina operando a 3000 rpm (50 Hz), o oil whirl apareceria em aproximadamente 1200–1440 rpm (20–24 Hz).
- Direção: a vibração é principalmente radial (horizontal e vertical) e frequentemente fortemente direcional.
- Gráfico de órbita: visto em um gráfico de órbita de X–Y sondas de proximidade, o oil whirl aparece como uma órbita grande, de precessão para frente, frequentemente distorcida (não circular), contendo um único loop interno bem definido.
- Comportamento: o oil whirl não está vinculado a uma frequência fixa. À medida que a máquina acelera, a frequência do whirl acompanha essa aceleração, mantendo sempre a razão característica de ~0,4×–0,48× da nova velocidade de operação. Esse comportamento de acompanhamento de velocidade é o principal diferenciador em relação a um ressonância estrutural, que permanece em uma frequência fixa, independentemente da velocidade do eixo.
Capturar esses recursos com clareza exige medição multicanal com referência de fase. Um diagrama em cascata obtido durante uma partida ou parada por inércia é especialmente revelador, pois o pico sub-síncrono é visto marchando junto com a velocidade de operação, em vez de permanecer fixo.
3. O Mecanismo: Como Ocorre o Oil Whirl?
O oil whirl surge da dinâmica do cunha de óleo hidrodinâmico que suporta o eixo em um mancal de deslizamento. Na operação normal, o eixo em rotação arrasta o óleo para uma folga em forma de cunha, construindo um campo de pressão que levanta e suporta o eixo. O eixo não fica no centro do mancal, mas opera ligeiramente deslocado, em um ângulo de atitude em relação à linha de carga.
O óleo dentro dessa cunha circula ao redor do mancal a aproximadamente metade da velocidade superficial do eixo — o que é exatamente o motivo pelo qual a instabilidade resultante aparece logo abaixo de 0,5×. Se o mancal estiver levemente carregado ou tiver folga excessiva folga, as forças estabilizadoras enfraquecem. Uma pequena perturbação pode então permitir que o eixo seja “capturado” pelo filme circulante, que começa a impulsioná-lo em um caminho circular ao redor do mancal. O resultado é uma vibração auto-sustentável que pode crescer a uma amplitude muito alta, frequentemente limitada apenas pela própria folga do mancal — momento em que o eixo começa a entrar em contato com a superfície do mancal.
4. Oil Whip: A Forma Mais Grave
Se a máquina acelerar até o ponto em que a frequência do oil whirl (~0,4×–0,48×) coincide com uma das frequências naturais do rotor frequências naturais — uma velocidade crítica — a condição escala dramaticamente. Isso é chamado de oil whip, o membro final violento da família mais ampla de whirl-and-whip de instabilidades.
- Frequência travada: a vibração “trava” na frequência natural do rotor e não aumenta mais à medida que a máquina acelera ainda mais.
- Alta amplitude: a condição de ressonância leva a amplitude a valores extremamente altos.
- Perigo: o oil whip é uma condição muito perigosa e instável que pode levar a falhas catastróficas, incluindo desgaste do mancal e contato severo do rotor rub.
5. Causas Comuns e Soluções
- Causas: mancais levemente carregados, folga excessiva do mancal, viscosidade do óleo muito baixa, pressão de suprimento de óleo excessiva ou um projeto de máquina que coloca uma velocidade crítica em aproximadamente o dobro da velocidade de operação (para que o rotor atinja sua velocidade crítica exatamente onde a frequência do whirl chega).
- Soluções: os remédios visam interromper o filme de óleo instável. As opções incluem aumentar a carga do mancal, corrigir a viscosidade do óleo e redesenhar o mancal com geometria anti-whirl — cunha limão (elíptica), pressão-dam, ou multi-lobo e tilting-pad projetos que quebram a circulação simétrica do filme. A instalação de um amortecedor de filme espremido pode adicionar amortecimento estabilizador em algumas máquinas.
Confirmar um diagnóstico em campo significa medir o pico sub-síncrono e sua fase, e descartar primeiro os culpados síncronos — desbalanceamento e desalinhamento — primeiro. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A captura a amplitude e fase através do espectro de vibração e verifica se o componente 1× é aceitável; se o 1× residual estiver limpo, mas um pico forte de ~0,45× persistir e acompanhar a velocidade, o problema é uma instabilidade de filme fluido, como o oil whirl, e não um defeito de balanceamento — e a correção está no mancal, não nas massas de correção. As frequências características de instabilidade podem ser verificadas com uma Calculadora de Frequência de Mancal de Deslizamento (Oil Whirl & Oil Whip).
