Compreender as Forças Aerodinâmicas
Forças aerodinâmicas são as forças que o ar ou o gás em movimento exerce sobre os componentes rotativos e fixos de ventiladores, sopradores, compressores e turbinas. Estas forças resultam das diferenças de pressão nas superfícies das pás, das variações de momento no gás em fluxo e da interação contínua entre o fluido e a estrutura sobre a qual este flui. Estas forças abrangem tanto componentes estáveis — cargas de impulso e radiais — como componentes instáveis, tais como pulsações em frequência de passagem da pá e as sacudidelas aleatórias da turbulência. Juntas, elas produzem vibração, sobrecarregam os rolamentos e as carcaças e, em alguns casos, provocam instabilidades autoexcitadas que podem destruir uma máquina.
As forças aerodinâmicas são o equivalente em fase gasosa da forças hidráulicas encontrado nas bombas, mas com três diferenças importantes: o gás é compressível, a sua densidade varia significativamente com a pressão e a temperatura e interage acusticamente com a máquina e a sua rede de condutas. Essa interação acústica pode criar ressonâncias e instabilidades que simplesmente não existem num sistema de líquido incompressível, razão pela qual os problemas com ventiladores e compressores se apresentam frequentemente de forma bastante diferente dos problemas com bombas.
1. Tipos de forças aerodinâmicas
1. Forças de impulso
Trata-se de forças axiais produzidas pela pressão que atua sobre as superfícies das pás:
- Ventiladores centrífugos: A diferença de pressão gera um impulso direcionado para a entrada.
- Ventiladores axiais: A reação à aceleração do ar produz uma força axial.
- Turbinas: A expansão do gás ao longo das pás gera um grande impulso.
- Magnitude: aproximadamente proporcional ao aumento da pressão e ao caudal.
- Efeito: it loads the rolamento de impulso and produces vibração axial.
2. Forças radiais
Trata-se de forças laterais criadas por uma distribuição não uniforme da pressão em torno do rotor. Estas assumem duas formas distintas.
Força radial constante:
- Causado por uma pressão assimétrica na caixa ou na rede de condutas.
- Varia em função do ponto de funcionamento, ou seja, do caudal.
- Atinge um mínimo no ponto de projeto.
- Cria uma carga no rolamento e uma componente de vibração de 1×.
Força radial de rotação:
- Ocorre quando o impulsor ou o rotor suporta uma carga aerodinâmica assimétrica.
- A força gira juntamente com o rotor.
- Cria uma vibração de 1× que se parece exatamente com desequilíbrio.
- Pode somar-se vetorialmente ao desequilíbrio mecânico real, razão pela qual um ventilador pode parecer “ficar desequilibrado” simplesmente porque o seu ponto de funcionamento mudou.
3. Pulsações de passagem das pás
Trata-se de impulsos de pressão periódicos que ocorrem à medida que as pás passam por um ponto fixo:
- Frequência: número de pás × RPM / 60 — um valor que o nosso Calculadora da frequência de passagem das pás retorna diretamente.
- Causa: cada pá perturba o campo de fluxo e emite um impulso de pressão.
- Interação: ocorre entre as pás rotativas e as vigas fixas, as aletas ou a saliência da carcaça.
- Amplitude: depende da distância entre a pá e o estator e das condições de fluxo.
- Efeito: é a principal fonte de ruído tonal e vibração em ventiladores e compressores.
4. Forças induzidas pela turbulência
- Random forces: geradas por remoinhos turbulentos e pela separação do fluxo.
- Espetro de banda larga: a energia está distribuída por uma ampla gama de frequências, em vez de se concentrar em tons específicos.
- Dependente do caudal: they grow with Número de Reynolds e em condições de funcionamento fora do projeto.
- Preocupação com a fadiga: Esta carga aleatória contribui para a fadiga dos componentes ao longo do tempo.
5. Forças de fluxo instável
Estol rotativo:
- Uma região de separação de fluxo localizada que gira em torno do anel.
- Appears at a subsíncrono frequência, aproximadamente 0,2–0,8 vezes a velocidade do rotor.
- Gera forças instáveis de grande intensidade.
- É comum em compressores com baixo caudal.
- Uma oscilação do fluxo em todo o sistema, com o fluxo a alternar entre o sentido normal e o sentido inverso.
- Uma frequência muito baixa, aproximadamente entre 0,5 e 10 Hz.
- Amplitudes de força extremamente elevadas.
- Pode destruir um compressor se for deixado a persistir.
2. Vibração de origem aerodinâmica
Frequência de passagem da lâmina (BPF)
- A componente dominante da vibração aerodinâmica.
- A sua amplitude varia consoante o ponto de funcionamento.
- É mais elevada em condições fora do projeto.
- Pode excitar uma ressonância estrutural ou ressonância das pás.
Pulsações de baixa frequência
- Com origem em recirculação, estol ou pompagem.
- Frequentemente de grande amplitude — podem ultrapassar a vibração de 1×.
- Isso indica que o funcionamento está longe do ponto de projeto.
- Exigem uma alteração nas condições de funcionamento, e não uma reparação mecânica.
Vibração de banda larga
- Produced by turbulência e ruído de escoamento.
- Elevada em regiões de alta velocidade.
- Aumenta com o caudal e a intensidade da turbulência.
- Menos preocupante do que os componentes tonais, mas um indicador útil da qualidade do fluxo.
3. Acoplamento com efeitos mecânicos
Interação aerodinâmico-mecânica
- As forças aerodinâmicas desviam o rotor.
- Essa deflexão altera as folgas de funcionamento, o que, por sua vez, altera as forças aerodinâmicas.
- Esta retroalimentação pode criar uma instabilidade acoplada.
- Um exemplo clássico são as forças aerodinâmicas nos vedantes que contribuem para instabilidade do rotor — intimamente relacionado com o redemoinho de vapor observado nas turbinas.
Amortecimento aerodinâmico
- A resistência do ar proporciona, geralmente, um efeito amortecedor às vibrações estruturais.
- Esse efeito é geralmente positivo, ou seja, estabilizador.
- Mas, em determinadas condições de fluxo, pode tornar-se negativo e desestabilizador.
- É um aspeto importante a ter em conta no dinâmica do rotor de turbomáquinas.
4. Considerações de conceção
Minimizar as forças
- Otimize os ângulos e o espaçamento das lâminas.
- Utilize difusores ou espaços sem pás para reduzir as pulsações.
- Conceba para uma ampla gama de condições de funcionamento estáveis.
- Escolha um número de lâminas que evite ressonâncias acústicas.
Projeto estrutural
- Dimensione os rolamentos tendo em conta as cargas aerodinâmicas, para além das cargas mecânicas.
- Faça com que o eixo seja suficientemente rígido para limitar a deflexão sob a ação da força aerodinâmica.
- Separe a pá frequências naturais das fontes de excitação.
- Projete a carcaça e a estrutura para suportar as cargas de pulsação de pressão.
5. Estratégias operacionais e medições no terreno
Ponto de funcionamento ideal
- Opere próximo do ponto de projeto para obter as forças aerodinâmicas mais baixas.
- Evite caudais muito baixos, pois favorecem a recirculação e o estol.
- Evite caudais muito elevados, pois aumentam a velocidade e a turbulência.
- Utilize a velocidade variável para manter o ponto ideal à medida que a procura varia — o affinity laws descrever como o caudal, a queda e a potência variam em função da velocidade.
Evitar instabilidades
- Mantenha-se à direita da linha de surge nos compressores.
- Implementar um sistema de controlo anti-surge.
- Fique atento ao início do estol.
- Assegure a proteção de caudal mínimo tanto para os ventiladores como para os compressores.
Na prática, o desafio consiste em distinguir um problema aerodinâmico de um problema mecânico, uma vez que ambos podem provocar picos de 1× ou BPF. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A ajuda a traçar essa linha: ao capturar o espetro e o 1× amplitude e fase em vários pontos de funcionamento, um engenheiro pode verificar se um pico acompanha a velocidade de funcionamento e permanece fixo com a carga — indicando um desequilíbrio mecânico — ou se aumenta e se desloca à medida que o fluxo varia, indicando uma origem aerodinâmica. Nos casos em que a componente 1× se revele um verdadeiro desequilíbrio mecânico, o mesmo instrumento equilibra a ventoinha ou o impulsor no seu lugar, para que a contribuição aerodinâmica possa então ser analisada isoladamente.
As forças aerodinâmicas são, em última análise, fundamentais para o funcionamento e a fiabilidade de qualquer máquina destinada à movimentação de ar e ao manuseamento de gases. Compreender como estas forças variam em função das condições de funcionamento, reconhecer os seus padrões de vibração característicos e conceber e operar o equipamento de forma a minimizar as componentes não estacionárias — principalmente mantendo o funcionamento próximo do ponto de projeto — é o que garante um desempenho fiável e eficiente de ventiladores, sopradores, compressores e turbinas em toda a indústria. Reconhecer os fatores relacionados defeitos da ventoinha e defeitos no impulsor o facto de a carga aerodinâmica poder acelerar completa o quadro de diagnóstico.
