Compreender as forças hidráulicas em bombas
Forças hidráulicas são as forças que um líquido em escoamento exerce sobre os componentes da bomba: cargas induzidas pela pressão nas pás do rotor, empuxo axial resultante do diferencial de pressão através do rotor, forças radiais devidas a uma distribuição assimétrica de pressão, e forças pulsantes originadas por turbulência do fluxo e pela interacção entre as pás e a voluta. São fundamentalmente diferentes das forças mecânicas produzidas por desequilíbrio ou desalinhamento, porque resultam da pressão do fluido e de variações de quantidade de movimento, e não de massa em rotação — e manifestam-se no espectro como frequência de passagem da palheta e os seus harmónicos associados. Compreendê-las é essencial para a fiabilidade das bombas: as forças hidráulicas geram cargas nos rolamentos, deflexão do veio e vibração que variam com as condições de funcionamento — caudal, pressão e propriedades do fluido — fazendo com que uma bomba se comporte de forma bastante diferente de uma máquina cujas forças são puramente mecânicas.
1. Definição: O que são Forças Hidráulicas?
Numa bomba ideal, o líquido exerceria pressão uniforme sobre cada parte do rotor e da carcaça, e as únicas forças sentidas pelo veio seriam de natureza mecânica. A realidade é mais complexa. A pressão é maior na descarga do que na aspiração, está distribuída de forma desigual ao longo da periferia do rotor e pulsa cada vez que uma pá passa pela língua da carcaça. O conjunto destes efeitos constitui um grupo de cargas estacionárias, de variação lenta e de pulsação rápida que actuam sobre o rotor e a estrutura. Crucialmente, a sua magnitude depende de onde a bomba está a funcionar na sua curva — facto que confere ao engenheiro de diagnóstico uma alavanca poderosa, pois alterar o caudal altera as forças.
2. Tipos de Forças Hidráulicas
2.1 Carga axial (empuxo hidráulico)
A força axial resultante decorrente da diferença de pressão ao longo do impulsor:
- Mecanismo: a pressão de descarga actua num lado do impulsor, a pressão de aspiração no outro.
- Direção: geralmente em direcção à aspiração (parte traseira do impulsor).
- Magnitude: pode atingir milhares de libras de força mesmo em bombas de dimensão moderada.
- Efeito: loads the rolamento de impulso and can cause vibração axial.
- Varia com: caudal, pressão e concepção do impulsor.
Métodos de equilíbrio de empuxo axial
- Balance holes: orifícios na coroa do impulsor que equalizam a pressão ao longo da mesma.
- Back vanes: palhetas na coroa traseira que bombeiam o fluido para fora, reduzindo a pressão no lado posterior.
- Impulsores de dupla aspiração: uma concepção simétrica em que os dois lados anulam mutuamente o impulso axial.
- Impulsores em oposição: bombas de múltiplos estágios configuradas com impulsores voltados em direcções opostas.
2.2 Forças radiais
Forças laterais produzidas por uma distribuição de pressão assimétrica em torno do impulsor:
No ponto de melhor eficiência (BEP)
- A distribuição de pressão é relativamente simétrica em torno do impulsor.
- As forças radiais estão equilibradas e anulam-se em grande parte.
- A força radial resultante é mínima.
- Esta é a condição de menor vibração.
Fora do BEP — caudal reduzido
- A distribuição de pressão na voluta torna-se assimétrica.
- Desenvolve-se uma força radial resultante em direcção à língua da voluta (cutwater).
- A sua magnitude aumenta à medida que o caudal diminui.
- Pode atingir 20–40% do peso do rotor da bomba na situação de caudal zero.
- A força radial rotativa manifesta-se como vibração de 1×.
Fora do BEP — caudal elevado
- Desenvolve-se um padrão de assimetria diferente.
- Existe uma força radial, mas é tipicamente menor do que a caudais baixos.
- A turbulência do escoamento acrescenta componentes de força aleatórias.
2.3 Pulsações de passagem de pás
Impulsos de pressão periódicos gerados à medida que cada pá passa pelo corte da voluta:
- Frequência: número de pás × RPM / 60.
- Mecanismo: cada passagem de uma pá pela língua da voluta gera um impulso de pressão.
- Forças: atuam sobre o rotor da bomba, a voluta e a carcaça.
- Vibração: predominante na frequência de passagem de pás.
- Magnitude: depende da folga no corte da voluta, do ponto de operação e do projeto.
2.4 Forças de recirculação
- Forças instáveis de baixa frequência provenientes de instabilidades de fluxo
- Ocorrem a caudais muito baixos — e por vezes muito elevados.
- Frequências tipicamente entre 0,2 e 0,8× a velocidade de rotação, na subsíncrono band.
- Pode provocar vibração de baixa frequência severa.
- Um sinal evidente de operação longe do BEP — ver recirculação.
3. Efeitos no Desempenho da Bomba
Carga nos rolamentos
- As forças radiais hidráulicas somam-se às cargas mecânicas nos rolamentos.
- As forças variáveis impõem cargas cíclicas.
- A carga é mais elevada em condições de baixo caudal.
- A seleção dos rolamentos deve ter em conta a componente hidráulica.
- A vida útil dos rolamentos diminui acentuadamente com a carga (a vida é proporcional a 1/carga³), pelo que uma Cálculo da vida útil L10 dos rolamentos pode mostrar quanto uma força radial de baixo caudal reduz a vida útil.
Deflexão do veio
- As forças radiais deflectem o veio.
- Isto altera as folgas das vedações e os ajustes dos anéis de desgaste.
- Pode reduzir a eficiência.
- Em casos extremos conduz a um roçamento.
Geração de vibrações
- 1× component: provocada pela força radial estacionária ou de variação lenta.
- Componente VPF: das pulsações de pressão.
- Low-frequency: proveniente de recirculação e outras instabilidades.
- Dependente do ponto de funcionamento: todo o quadro muda com o caudal.
Tensão mecânica
- As forças cíclicas impõem fadiga loading.
- As pás do rotor são solicitadas pelos diferenciais de pressão.
- O veio sofre fadiga por momentos de flexão.
- A carcaça é solicitada pelas pulsações de pressão.
4. Minimização das Forças Hidráulicas
Operar próximo do BEP
- A estratégia mais eficaz para minimizar as forças hidráulicas.
- Procure operar entre 80–110% do caudal do BEP sempre que possível.
- As forças radiais são mínimas no BEP.
- A vibração e as cargas nos rolamentos são minimizadas em simultâneo.
Características de projeto
- Bombas com difusor: uma distribuição de pressão mais simétrica do que uma voluta simples.
- Voluta dupla: dois cortes a 180° que equilibram as forças radiais.
- Folgas aumentadas: reduzem os impulsos de pressão por passagem de pá (com algum custo em eficiência).
- Seleção do número de palhetas: escolhidas para evitar ressonâncias acústicas.
System design
- Providenciar proteção de recirculação de caudal mínimo para bombas em carga base.
- Dimensionar corretamente a bomba para o serviço real e evitar o sobredimensionamento.
- Utilizar um variador de velocidade para manter o ponto de funcionamento ótimo.
- Projetar a admissão de forma a minimizar a pré-rotação e a turbulência.
5. Utilização Diagnóstica
Curvas de desempenho e forças hidráulicas
- Represente graficamente a vibração em função do caudal.
- A vibração mínima verifica-se tipicamente no PEF ou nas suas proximidades.
- O aumento da vibração a baixo caudal indica forças radiais elevadas.
- O gráfico ajuda a definir uma gama de operação razoável.
VPF analysis
- A amplitude da FPV indica a severidade da pulsação hidráulica.
- Um aumento da FPV sugere degradação das folgas ou uma alteração do ponto de funcionamento.
- VPF harmónicos apontam para escoamento turbulento e perturbado.
Separar estas assinaturas hidráulicas das puramente mecânicas é o cerne do diagnóstico de bombas, e é neste contexto que um analisador portátil demonstra o seu valor no campo. O Balanset-1A capta o espetro de vibração nos alojamentos dos rolamentos e decompõe as componentes 1×, FPV e de baixa frequência, permitindo ao engenheiro decidir se uma leitura elevada exige equilibragem no local (uma solução mecânica) ou uma alteração do ponto de funcionamento (uma solução hidráulica) — e quando o diagnóstico aponta para desequilíbrio, equilibrar o rotor e verificar o resultado no local.
6. Considerações de Medição
Locais de medição de vibração
- Caixas de rolamentos: detetar as forças mecânicas e hidráulicas combinadas.
- Pump casing: mais sensíveis às pulsações hidráulicas.
- Tubagem de aspiração e descarga: transmitem as pulsações de pressão.
- Múltiplos locais: a sua comparação ajuda a distinguir as fontes hidráulicas das mecânicas.
Medição de pulsação de pressão
- Instale transdutores de pressão na aspiração e na descarga.
- Estes medem as pulsações hidráulicas diretamente.
- Correlacione os dados de pulsação com a vibração.
- Utilize a combinação para identificar ressonâncias acústicas.
As forças hidráulicas são fundamentais para o funcionamento de uma bomba e constituem uma fonte importante de vibração e carga. Compreender como essas forças variam com as condições de operação, reconhecer as suas assinaturas no espectro de vibração e projetar e operar bombas de forma a manter as forças baixas — principalmente funcionando próximo do BEP — é essencial para alcançar um desempenho fiável e duradouro em serviço industrial. Para uma abordagem mais aprofundada das avarias impulsionadas por estas forças, consulte defeitos nas bombas centrífugas e defeitos no impulsor.
