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O que é o efeito chicote do eixo? Instabilidade severa do rotor explicada.

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Entendendo o efeito chicote no eixo de máquinas rotativas

Definição: O que é um chicote de eixo?

Chicote de eixo (também chamado de chicote de óleo quando ocorre em mancais hidrodinâmicos) é uma forma grave de instabilidade do rotor caracterizado por violência vibração autoexcitada Isso ocorre quando um rotor operando em mancais de película fluida excede uma velocidade limite crítica, tipicamente cerca de duas vezes a primeira. velocidade crítica. Assim que ocorre o efeito chicote, a frequência de vibração se "fixa" na primeira frequência do rotor. frequência natural e permanece nesse patamar independentemente de aumentos adicionais de velocidade, com a amplitude limitada apenas pelas folgas dos rolamentos ou por falha catastrófica.

A vibração do eixo é uma das condições mais perigosas em máquinas rotativas de alta velocidade, pois se desenvolve repentinamente, atinge amplitudes destrutivas em segundos e não pode ser corrigida por equilíbrio ou outros métodos convencionais. Requer desligamento imediato e modificações no sistema de rolamentos para evitar recorrência.

A Progressão: Redemoinho de Óleo ao Chicote do Eixo

Estágio 1: Operação Estável

  • O rotor opera abaixo do limite de instabilidade.
  • Apenas vibração forçada normal de desequilíbrio presente
  • A película de óleo no rolamento proporciona um suporte estável.

Estágio 2: Início do redemoinho de óleo

À medida que a velocidade aumenta além de aproximadamente o dobro da primeira velocidade crítica:

  • Redemoinho de óleo desenvolve-se uma vibração sub-síncrona a aproximadamente 0,43-0,48 vezes a velocidade do eixo.
  • A amplitude é inicialmente moderada e depende da velocidade.
  • A frequência aumenta proporcionalmente à velocidade do eixo.
  • Pode ser intermitente ou contínuo.
  • Pode coexistir com a vibração normal 1X devido ao desequilíbrio.

Etapa 3: Transição com Chicote

Quando a frequência de rotação do óleo aumenta até corresponder à primeira frequência natural:

  • Bloqueio de frequência: A frequência de vibração se estabiliza na frequência natural.
  • Amplificação ressonante: A amplitude aumenta drasticamente devido a ressonância
  • Início repentino: A transição do giro para o chicote pode ser instantânea.
  • Independência de velocidade: Aumentos adicionais de velocidade não alteram a frequência, apenas a amplitude.

Estágio 4: Chicote do Eixo (Condição Crítica)

  • Vibração em frequência constante (primeira frequência natural, tipicamente 40-60 Hz)
  • Amplitude de 5 a 20 vezes maior que a vibração de desequilíbrio normal.
  • O eixo pode entrar em contato com os limites de folga do rolamento.
  • Aquecimento rápido dos rolamentos e do óleo
  • Existe o risco de uma falha catastrófica em questão de minutos se não for desligado.

Mecanismo Físico

Como se desenvolve o Oil Whip

O mecanismo envolve a dinâmica de fluidos na película de óleo do rolamento:

  1. Formação de cunha de petróleo: À medida que o eixo gira, ele arrasta o óleo ao redor do rolamento, criando uma cunha pressurizada.
  2. Força Tangencial: A cunha de óleo exerce uma força perpendicular à direção radial (tangencial).
  3. Movimento orbital: A força tangencial faz com que o centro do eixo orbite a aproximadamente metade da velocidade do eixo.
  4. Extração de energia: O sistema extrai energia da rotação do eixo para sustentar o movimento orbital.
  5. Bloqueio por ressonância: Quando a frequência da órbita coincide com a frequência natural, a ressonância amplifica a vibração.
  6. Ciclo limite: A vibração aumenta até ser limitada pela folga do rolamento ou por falha.

Identificação diagnóstica

Assinatura de vibração

O movimento de chicote do eixo produz padrões característicos nos dados de vibração:

  • Espectro: Pico acentuado em frequência subsíncrona (primeira frequência natural), constante independentemente das mudanças de velocidade.
  • Terreno em cascata: A componente subsíncrona aparece como uma linha vertical (frequência constante) em vez de diagonal (proporcional à velocidade).
  • Análise de Pedidos: Ordem fracionária que diminui à medida que a velocidade aumenta (por exemplo, muda de 0,5× para 0,4× para 0,35×).
  • Órbita: Órbita circular ou elíptica de grande dimensão na frequência natural

Velocidade de início

  • Limiar típico: 2,0-2,5× a primeira velocidade crítica
  • Dependente do rolamento: O limite específico varia de acordo com o projeto do rolamento, a pré-carga e a viscosidade do óleo.
  • Início repentino: Um pequeno aumento de velocidade pode desencadear uma transição rápida de um estado estável para um instável.

Estratégias de Prevenção

Modificações no projeto de rolamentos

1. Mancais de pastilhas oscilantes

  • A solução mais eficaz para prevenir a vibração do eixo.
  • As almofadas giram independentemente, eliminando forças de acoplamento cruzado desestabilizadoras.
  • Intrinsecamente estável em amplas faixas de velocidade.
  • Padrão da indústria para turbomáquinas de alta velocidade

2. Mancais de Barragem de Pressão

  • Mancal cilíndrico modificado com ranhuras ou retentores
  • Aumenta o amortecimento e a rigidez efetivos.
  • Mais barato que o tapete inclinável, mas menos eficaz.

3. Pré-carga do rolamento

  • Aplicar pré-carga radial aos rolamentos aumenta a rigidez.
  • Aumenta a velocidade limite para instabilidade.
  • Isso pode ser alcançado por meio de projetos de furos deslocados.

4. Amortecedores de película fina

  • Elemento de amortecimento externo que envolve o rolamento
  • Proporciona amortecimento adicional sem alterar o projeto do rolamento.
  • Eficaz para aplicações de retrofit

Medidas Operacionais

  • Limitação de velocidade: Limitar a velocidade máxima de operação abaixo do limite (normalmente < 1,8× primeiro crítico)
  • Gerenciamento de carga: Operar com cargas de rolamento mais elevadas sempre que possível (aumenta o amortecimento).
  • Controle da temperatura do óleo: Temperaturas mais baixas do óleo aumentam a viscosidade e o amortecimento.
  • Monitoramento: Monitoramento contínuo de vibração com alarmes configurados para componentes sub-síncronos.

Consequências e Danos

Efeitos imediatos

  • Vibração violenta: As amplitudes podem atingir vários milímetros (centenas de mils).
  • Barulho: Som alto e característico, diferente do funcionamento normal.
  • Aquecimento rápido dos rolamentos: A temperatura dos rolamentos pode subir de 20 a 50 °C em poucos minutos.
  • Degradação do petróleo: Altas temperaturas e cisalhamento degradam o lubrificante.

Possíveis falhas

  • Limpeza do rolamento: O material de metal antifricção derrete e é removido.
  • Danos no eixo: Arranhões, desgaste ou curvatura permanente
  • Falha na vedação: Movimentos excessivos do eixo danificam as vedações.
  • Quebra do eixo: Fadiga de alto ciclo causada por oscilação violenta
  • Danos no acoplamento: As forças transmitidas danificam os acoplamentos.

Fenômenos relacionados

Redemoinho de óleo

Redemoinho de óleo é o precursor do chicote:

  • O mecanismo é o mesmo, mas a frequência não se estabilizou na frequência natural.
  • Amplitude menos severa
  • Frequência proporcional à velocidade (~0,43-0,48×)
  • Pode ser tolerável em algumas aplicações.

Redemoinho de vapor

Instabilidade semelhante em turbinas a vapor é causada por forças aerodinâmicas em vedações labirínticas, em vez de películas de óleo nos mancais. Apresenta vibração subsíncrona similar, sincronizada com a frequência natural.

Chicote de fricção seca

Pode ocorrer em locais de vedação ou devido ao contato entre rotor e estator:

  • As forças de atrito fornecem um mecanismo desestabilizador.
  • Menos comum que o chicote de óleo, mas igualmente perigoso.
  • Requer uma abordagem corretiva diferente (eliminar o contato, melhorar o projeto da vedação).

Estudo de caso: Vibração do eixo do compressor

Cenário: Compressor centrífugo de alta velocidade com mancais cilíndricos de deslizamento

  • Operação normal: 12.000 RPM com vibração de 2,5 mm/s
  • Aumento de velocidade: O operador aumentou a rotação para 13.500 RPM para obter maior capacidade.
  • Início: A 13.200 RPM, desenvolveu-se uma vibração repentina e violenta.
  • Sintomas: Vibração de 25 mm/s a 45 Hz (constante), a temperatura do rolamento subiu de 70 °C para 95 °C em 3 minutos.
  • Ação de emergência: O desligamento imediato evitou a falha do rolamento.
  • Causa raiz: A primeira velocidade crítica foi de 2700 RPM (45 Hz); o limite de vibração em 2× a velocidade crítica = 5400 RPM foi excedido.
  • Solução: Substituímos os mancais de deslizamento por mancais de pastilhas oscilantes, permitindo uma operação segura até 15.000 RPM.

Normas e práticas da indústria

  • API 684: Requer análise de estabilidade para turbomáquinas de alta velocidade.
  • API 617: Especifica os tipos de rolamentos e os requisitos de estabilidade para compressores.
  • ISO 10814: Fornece orientações sobre a seleção de rolamentos para garantir estabilidade.
  • Práticas do setor: Mancais de deslizamento com pastilhas inclináveis são padrão para equipamentos que operam acima de 2 vezes a primeira velocidade crítica.

A vibração do eixo representa um modo de falha catastrófico que deve ser evitado por meio da seleção e do projeto adequados dos rolamentos. O reconhecimento de sua assinatura de vibração subsíncrona e com frequência sincronizada permite um diagnóstico rápido e uma resposta de emergência apropriada, evitando danos dispendiosos a equipamentos rotativos críticos de alta velocidade.

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