Compreendendo o turbilhão de óleo
Redemoinho de óleo é um tipo de vibração autoexcitada e instável que ocorre em máquinas equipadas com película de fluido (jornal) rolamentos — incluindo grandes turbinas, compressores e bombas. Trata-se de uma forma de vibração induzida por fluidos instabilidade em que a película de óleo que suporta o eixo começa a empurrá-lo ao longo da folga do rolamento, num movimento circular para a frente. Como este movimento giratório ocorre a uma frequência inferior à velocidade de funcionamento da máquina (1×), trata-se de um subsíncrono vibração — e, por ser autoexcitada, não necessita de uma função de excitação externa para se manter.
1. Definição: O que é o Oil Whirl?
Diferente desequilíbrio, que é síncrono (1×) vibração forçada, o redemoinho de óleo é um vibração autoexcitada: a energia que o aciona provém da rotação constante do próprio eixo, transmitida através da película de óleo do rolamento. Essa distinção é importante do ponto de vista do diagnóstico, porque as instabilidades autoexcitadas podem surgir repentinamente, crescer rapidamente e não podem ser «compensadas» da mesma forma que um desequilíbrio de 1×.
2. Características do redemoinho de óleo
O redemoinho de óleo apresenta vários sinais distintos e identificáveis nos dados de vibração:
- Freqüência: a característica mais marcante é um pico de grande amplitude a uma frequência ligeiramente inferior a metade da velocidade de corrida — normalmente entre 0.4× and 0.48× (40 % a 48 % da velocidade do eixo). Numa máquina a funcionar a 3000 rpm (50 Hz), o redemoinho de óleo surgiria aproximadamente entre 1200 e 1440 rpm (20–24 Hz).
- Direção: a vibração é principalmente radial (horizontal e vertical) e é frequentemente muito direcional.
- Traçado da órbita: visualizado num gráfico orbital de X–Y sondas de proximidade, o redemoinho de óleo apresenta-se como uma órbita ampla, com precessão para a frente, frequentemente distorcida (não circular), contendo uma única alça interna bem definida.
- Comportamento: O redemoinho de óleo não está ligado a uma frequência fixa. À medida que a máquina acelera, a frequência do redemoinho acompanha essa aceleração, mantendo sempre a relação característica de ~0,4×–0,48× da nova velocidade de funcionamento. Este comportamento de acompanhamento da velocidade é o principal fator que o distingue de um ressonância estrutural, que se mantém a uma frequência fixa, independentemente da velocidade do eixo.
Para captar estas características com precisão, é necessária uma medição multicanal com referência de fase. A gráfico em cascata realizada durante um aceleração ou desaceleração é especialmente revelador, porque se observa que o pico subsíncrono acompanha a velocidade de corrida, em vez de permanecer fixo.
3. O mecanismo: como se forma o redemoinho de óleo?
O redemoinho de óleo resulta da dinâmica da cunha hidrodinâmica de óleo que suporta o eixo num mancal de deslizamento. Em condições normais de funcionamento, o eixo em rotação arrasta óleo para uma fenda em forma de cunha, criando um campo de pressão que eleva e suporta o eixo. O eixo não se encontra no centro do mancal, mas desliza ligeiramente deslocado, num ângulo de inclinação em relação à linha de carga.
O óleo contido nessa cunha circula em torno do rolamento a cerca de metade da velocidade superficial do eixo — razão pela qual a instabilidade resultante surge precisamente abaixo de 0,5×. Se o rolamento estiver submetido a uma carga leve ou tiver um excesso de liberação, as forças estabilizadoras enfraquecem. Uma pequena perturbação pode então fazer com que o eixo seja «capturado» pela película de lubrificação, que começa a impulsioná-lo numa trajetória circular em torno do rolamento. O resultado é uma vibração auto-sustentável que pode atingir amplitudes muito elevadas, muitas vezes limitadas apenas pela própria folga do rolamento — momento em que o eixo começa a entrar em contacto com a superfície do rolamento.
4. Oil Whip: a forma mais grave
Se a máquina acelerar até ao ponto em que a frequência de turbulência do óleo (~0,4–0,48 Hz) coincida com uma das frequências do rotor frequências naturais — a velocidade crítica — a situação agrava-se drasticamente. A isto chama-se batedor de óleo, o extremo mais violento do espectro mais amplo whirl-and-whip família de instabilidades.
- Frequência bloqueada: a vibração «sintoniza-se» com a frequência natural do rotor e deixa de aumentar à medida que a máquina acelera.
- Amplitude elevada: A condição de ressonância faz com que a amplitude atinja valores extremamente elevados.
- Perigo: O efeito chicote do óleo é uma condição muito perigosa e instável que pode conduzir a falhas catastróficas, incluindo o desgaste dos rolamentos e danos graves fricção do rotor.
5. Causas comuns e soluções
- Causas: rolamentos com carga reduzida, folga excessiva nos rolamentos, viscosidade do óleo demasiado baixa, pressão de alimentação de óleo excessiva ou um projeto da máquina que situe a velocidade crítica em cerca do dobro da velocidade de funcionamento (de modo que o rotor atinja a sua velocidade crítica exatamente no momento em que a frequência de vibração surge).
- Soluções: As soluções visam romper a película de óleo instável. As opções incluem aumentar a carga do rolamento, corrigir a viscosidade do óleo e redesenhar o rolamento com geometria anti-giro — alveolo elíptico, barreira de pressão ou multilobular e de palhetas basculantes desenhos que quebram a circulação simétrica do filme. A instalação de um amortecedor de película comprimida pode proporcionar um amortecimento estabilizador em algumas máquinas.
Confirmar um diagnóstico no terreno implica medir o pico subsíncrono e a sua fase, bem como excluir as causas síncronas — o desequilíbrio e desalinhamento — primeiro. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A captura a amplitude e fase across the espetro de vibração e verifica se a componente 1× é aceitável; se o resíduo 1× estiver limpo, mas persistir um pico forte de cerca de 0,45× que acompanha a velocidade, o problema é uma instabilidade da película de fluido, como um redemoinho de óleo, e não uma falha de equilíbrio — e a solução reside no rolamento, e não nos pesos de correção. As frequências características de instabilidade podem ser verificadas com um Calculadora de frequência para rolamentos lisos (vórtice de óleo e chicote de óleo).
