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 têm origem no rotor ou actuam sobre ele, 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 assenta não na rigidez do material, mas sim na relação entre a velocidade de funcionamento da máquina e as velocidades críticas do rotor - 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 equilibragem: Adição 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.
