Compreendendo o rotor em máquinas rotativas
A rotor é o principal conjunto rotativo dentro de uma máquina. É normalmente constituído por um eixo central no qual estão montados outros componentes - impulsores, pás, ímanes ou armaduras - suportados por rolamentos e concebidos para transmitir binário e realizar trabalho útil. O estudo do comportamento de um rotor enquanto gira, incluindo as suas vibrações e deflexões, é dinâmica do rotor, um domínio fundamental da engenharia mecânica. Porque quase todas as falhas que um engenheiro procura com análise de vibração tem origem no rotor ou actua sobre ele, pelo que a sua compreensão é o ponto de partida para o diagnóstico e a equilibragem.
1. Definição: O que é um rotor?
No sentido mais lato, o rotor é tudo o que gira como um corpo em torno do eixo da máquina. Não se trata apenas do eixo, mas de todo o sistema giratório - eixo e todas as peças encaixadas, encolhidas, aparafusadas ou soldadas a ele - juntamente com os rolamentos e a estrutura de suporte que restringem o seu movimento, coletivamente o sistema rotor-mancal. A forma como essa massa é distribuída em torno do eixo e a rigidez do veio em relação à sua velocidade de funcionamento regem quase todo o comportamento dinâmico do rotor.
2. A classificação fundamental: Rotores Rígidos vs. Flexíveis
A distinção mais importante na dinâmica de rotores é se um rotor se comporta como um corpo “rígido” ou “flexível”. Esta classificação é não com base na rigidez do material, mas sim na relação entre a velocidade de funcionamento da máquina e as do rotor velocidades críticas - as suas frequências naturais de flexão. O mesmo veio de aço pode ser rígido numa máquina e flexível noutra, apenas devido à velocidade a que funciona.
Rotores rígidos
Um rotor é considerado rígido quando a sua velocidade de funcionamento se situa muito abaixo da sua primeira velocidade crítica de flexão - normalmente abaixo de cerca de 70% da primeira velocidade crítica. A estas velocidades, o veio não se dobra significativamente sob carga dinâmica, e todo o rotor pode ser tratado como uma única massa rígida.
- Características: tendem a ser mais baixos, mais corpulentos e a correr a velocidades mais baixas.
- Equilíbrio: pode ser totalmente corrigido com dois planos balanceamento dinâmico segundo os princípios da mecânica dos corpos rígidos.
- Exemplos: a maioria dos motores eléctricos normais, ventoinhas de baixa velocidade, mós e muitos impulsores de bombas.
Rotores flexíveis
Um rotor é flexível quando é concebido para funcionar próximo, em, ou acima de uma ou mais das suas velocidades críticas de flexão. À medida que se aproxima de uma velocidade crítica, o veio desvia-se e curva-se significativamente, assumindo uma forma curvada caraterística - a sua forma modal.
- Características: tendem a ser longos, esguios e a correr a alta velocidade.
- Equilíbrio: a equilibragem em dois planos é insuficiente. Os rotores flexíveis necessitam de métodos multiplano que são responsáveis pela flexão do veio, incluindo equilíbrio modal (corrigindo cada forma de modo individualmente) ou multi-velocidade coeficiente de influência equilibragem.
- Exemplos: grandes turbinas a vapor e a gás, compressores de alta velocidade, veios de transmissão longos e rotores de geradores.
A conceção e análise de rotores flexíveis é muito mais complexa porque o seu comportamento dinâmico muda com a velocidade. Prever onde se situam essas velocidades críticas é, por si só, uma tarefa de projeto; uma calculadora da velocidade crítica do rotor fornece uma primeira estimativa rápida da primeira frequência natural de flexão a partir dos dados do veio e do vão da chumaceira.
3. Componentes comuns de um conjunto de rotor
Um rotor é mais do que apenas um eixo. Um conjunto típico pode incluir:
- Eixo: o elemento central que transmite o binário.
- Impulsores, lâminas ou palhetas: componentes que trabalham com um fluido em bombas, ventiladores e turbinas.
- Armadura / enrolamentos: a parte rotativa de um motor ou gerador elétrico.
- Munhões: as secções de eixo altamente polidas que se encontram dentro de um chumaceira de deslizamento.
- Acoplamentos: os cubos que ligam o rotor à máquina adjacente, eles próprios uma fonte de problemas através de defeitos de acoplamento.
- Colarinhos de impulso: componentes que transferem a força axial para um rolamento de impulso.
- Anéis ou planos de equilíbrio: o designado planos de correcção onde um peso de correcção é adicionado durante a equilibragem.
4. Problemas comuns associados aos rotores
A análise de vibrações é utilizada para detetar uma vasta gama de avarias com origem no conjunto do rotor:
- Desequilíbrio: o problema mais comum, causado por uma distribuição desigual da massa em torno do eixo.
- Eixo torto: uma curvatura física ou arco no eixo.
- Rachadura no eixo: uma fenda de fadiga em desenvolvimento que pode levar a uma falha catastrófica.
- Desalinhamento: embora seja estritamente um problema entre rotores, impõe tensões elevadas no interior do conjunto do rotor.
- Atrito entre o rotor e o estator: contacto entre as partes rotativas e estacionárias da máquina.
- Frouxidão: um ajuste solto de um componente, como um impulsor, no veio.
A maior parte destes revelam-se como assinaturas de frequência distintas - desequilíbrio a 1× a velocidade de funcionamento, desalinhamento a 2×, folga como um longo comboio de harmónicos - o que permite a um analista separar um do outro sem desmontar.
5. Equilibrar o rotor no campo
De longe, o defeito mais frequente do rotor, o desequilíbrio, é corrigido por equilibragemAdição ou remoção de pequenas massas para que o eixo das massas seja puxado para trás em direção ao eixo geométrico. Para uma máquina montada, isto é feito no local e não numa máquina de equilibrar. Um instrumento portátil de dois canais, como o Balanset-1A mede a amplitude 1× e a fase nos próprios rolamentos do rotor à velocidade de funcionamento, calcula os coeficientes de influência e calcula a massa e o ângulo a adicionar em cada plano de correção - captando o verdadeiro comportamento de funcionamento do rotor, incluindo os efeitos de montagem e térmicos que uma máquina de equilibrar nunca vê.
