Compreendendo os amortecedores de película de aperto
A amortecedor de película de aperto (SFD) é um dispositivo passivo amortecimento utilizado em máquinas rotativas para dissipar energia vibracional e controlar vibração amplitudes — sobretudo durante a passagem pela velocidades críticas. Consiste numa película fina de óleo retida numa estreita folga anular que envolve o alojamento de um rolamento. Quando o rolamento e o elemento acoplado rotor vibra, o alojamento oscila dentro dessa folga e comprime o filme de óleo; a resistência viscosa à compressão dissipa energia e amorte o sistema de rotor sem acrescentar rigidez significativa. Os amortecedores de filme comprimido encontram-se em motores de aeronaves, turbinas a gás industriais e outras máquinas de alta velocidade sempre que é necessário amortecimento adicional para controlar ressonâncias e evitar instabilidades do rotor.
1. O Princípio Físico de Funcionamento
A ação de compressão
Unlike a chumaceira de deslizamento, cujo filme de óleo suporta uma carga radial estática, um amortecedor de filme comprimido funciona por compressão cíclica de um filme que não suporta carga estática:
- Vibração do rotor: um rotor com desequilíbrio ou excitado por outra causa aplica forças oscilantes ao rolamento.
- Movimento da caixa: o alojamento do rolamento descreve uma órbita ou oscila radialmente dentro da folga do amortecedor.
- Compressão do filme de óleo: quando o alojamento se desloca para dentro, o filme é comprimido; quando se desloca para fora, o filme expande-se.
- Resistência viscosa: o óleo resiste a ser expulso da folga, gerando uma força de amortecimento proporcional à velocidade.
- Dissipação de energia: a energia vibratória é convertida em calor no óleo e dissipada pelo caudal de alimentação.
Uma vez que a força resistente é proporcional à velocidade e não ao deslocamento, o amortecedor opõe-se movimento sem actuar como uma mola — a característica definidora que distingue o amortecimento da rigidez.
Como difere de um rolamento liso de casquilho
- Rolamento liso de casquilho: suporta cargas estáticas e dinâmicas através da pressão do filme hidrodinâmico, contribuindo tanto com rigidez como com amortecimento.
- Amortecedor de filme fluido: fornece amortecimento com rigidez mínima e não suporta carga estática.
- Combinação: um rolamento de elementos rolantes (para suportar a carga) associado a um SFD (para fornecer amortecimento) constitui uma combinação ideal para muitas concepções de alta velocidade, uma vez que os rolamentos de elementos rolantes praticamente não fornecem amortecimento por si próprios.
2. Construção e Projecto
Componentes básicos
- Pista interna (caixa do rolamento): a superfície exterior do alojamento do rolamento de elementos rolantes, livre para se deslocar radialmente.
- Pista externa (carcaça do amortecedor): um alojamento fixo com um furo cilíndrico de precisão.
- Folga anular: a folga radial entre as pistas interior e exterior, tipicamente 0,1–0,5 mm.
- Oil supply: óleo pressurizado introduzido no espaço de folga.
- End seals: O-rings ou vedações similares que retêm o óleo axialmente.
- Elementos de centragem: molas ou dispositivos de retenção que impedem movimentos excessivos e mantêm o veio centrado em repouso.
Parâmetros de concepção
- Folga radial (c): define o coeficiente de amortecimento — uma folga menor proporciona um amortecimento muito maior.
- Comprimento (L): o comprimento axial do amortecedor — quanto maior, maior o amortecimento.
- Diâmetro (D): um diâmetro maior proporciona maior amortecimento.
- Viscosidade do óleo (µ): uma viscosidade maior proporciona maior amortecimento.
- End-seal type: governa a fuga axial de óleo e, consequentemente, o amortecimento efetivo.
3. O Coeficiente de Amortecimento
A força de amortecimento produzida por um amortecedor de filme comprimido é, em primeira aproximação:
Famortecimento = C × velocidade, onde o coeficiente de amortecimento C ∝ (µ · D · L³) / c³.
A dependência cúbica da folga é o facto central: o coeficiente varia com 1/c³, pelo que reduzir a folga a metade multiplica o amortecimento aproximadamente por oito. Essa sensibilidade extrema é uma faca de dois gumes — confere ao projetista uma alavancagem poderosa, mas também significa que as tolerâncias de fabrico, a dilatação térmica e o desgaste do furo têm um efeito desproporcionado no desempenho real. A escolha da espessura ótima do filme é, portanto, a decisão central de projeto, e é tomada em conjunto com a formas modais.
Molas de centragem
- Propósito: para impedir que o amortecedor “toque no fundo” em contacto metal-a-metal quando o movimento é elevado.
- Selecção da rigidez: suficientemente suave para permitir que o amortecedor se mova e cumpra a sua função, mas suficientemente rígida para manter o veio centrado sob a gravidade e cargas laterais estáticas.
- Common types: a mola em gaiola de esquilo (um anel de elementos de viga circunferenciais), molas helicoidais e elementos elastoméricos.
Alimentação e drenagem de óleo
- Uma alimentação pressurizada, tipicamente 1–5 bar, para manter a folga preenchida.
- Caudal adequado para dissipar o calor gerado pelo filme.
- Drenagem adequada para evitar inundação de óleo e sobrepressurização.
- Ventilação de ar para evitar cavitação no interior da película.
4. Vantagens dos Amortecedores de Filme Fluido
- Adiciona amortecimento sem rigidez: aumenta a dissipação de energia sem deslocar significativamente as velocidades críticas do rotor.
- Reduz a vibração na velocidade crítica: holds ressonância as amplitudes para níveis seguros.
- Previne instabilidades: helps suppress redemoinho de óleo, chicoteamento do eixo e outras vibrações autoexcitadas.
- Isola a força transmitida: reduz a vibração transmitida à fundação e à estrutura envolvente.
- Absorve transientes: controla a vibração durante o arranque, paragem e variações de carga.
- Capacidade de instalação em equipamentos existentes: Pode ser adicionado a máquinas existentes sem grandes alterações de projeto.
- Operação passiva: não necessita de sistema de controlo nem de alimentação externa — apenas de um circuito de óleo.
5. Aplicações
Turbinas a gás para aeronaves
- Praticamente universal nos motores aeronáuticos modernos.
- Essencial para controlar a vibração durante a passagem pelas velocidades críticas na aceleração.
- Tornam os rolamentos de elementos rolantes viáveis em aplicações de muito alta velocidade.
- Design compacto e leve — uma vantagem decisiva na aeroespacial.
turbinas a gás industriais
- Utilizado em conjunto com rolamentos de elementos rolantes ou de patins basculantes.
- Controlar a vibração durante arranques e paragens frequentes.
- Reduzir a vibração transmitida para a estrutura de suporte.
Compressores de alta velocidade
- Acrescentar amortecimento para além do que os rolamentos por si só proporcionam.
- Prevenir instabilidades em condições de carga reduzida.
- Alargar o intervalo de funcionamento utilizável.
Aplicações de retrofit
- Instalados em máquinas existentes com vibração excessiva nas velocidades críticas.
- Um remédio quando o balanceamento e o alinhamento por si sós não conseguem reduzir suficientemente a vibração.
- Uma alternativa à reconfiguração dispendiosa do rotor ou dos rolamentos.
6. Desafios e limitações
Desafios de projeto
- Cavitação: o filme pode cavitar — formar bolhas de vapor — o que reduz o amortecimento efetivo.
- Air ingestion: o ar aprisionado amolece o filme e reduz o amortecimento.
- Dependência da frequência: a eficácia da amortecimento varia com a frequência de vibração.
- Comportamento não linear: o desempenho muda com a amplitude, e as órbitas de grande amplitude que se aproximam do limite de folga comportam-se de forma muito não linear.
Desafios operacionais
- Sensibilidade à temperatura: a viscosidade do óleo diminui com o aumento da temperatura, reduzindo diretamente o amortecimento.
- Limpeza: a contaminação pode bloquear a alimentação ou danificar as superfícies de precisão.
- Dependência do fornecimento de óleo: a perda de pressão de óleo elimina completamente o amortecimento.
- Seal wear: as vedações terminais degradam-se com o tempo, reduzindo progressivamente a eficácia.
Requisitos de manutenção
- Monitorize a pressão e a temperatura de alimentação do óleo.
- Inspecionar as vedações terminais periodicamente.
- Verificar as folgas durante as revisões gerais.
- Verifique o estado das molas de centragem.
- Limpe os canais de óleo e os filtros.
7. Projetos Avançados
Amortecedores de anel de pistão
- Utilize anéis de segmento em substituição de vedantes de O-ring.
- Permita uma fuga controlada de óleo para uma melhor distribuição de pressão.
- Reduza a tendência para cavitação.
Amortecedores de extremidade aberta
- Sem vedantes terminais — o óleo circula livremente na direção axial.
- Um design mais simples, sem problemas de desgaste de vedantes.
- Requerem caudais de óleo mais elevados.
- Proporcionam um amortecimento mais consistente e previsível.
Amortecedores integrais
- O filme de amortecimento forma-se diretamente entre o exterior do rolamento e a sua caixa.
- Não é necessário nenhum componente amortecedor separado.
- Compacto, mas com capacidade de amortecimento limitada.
8. Eficácia e Desempenho
Redução de vibração
- Pode reduzir a vibração na velocidade crítica em 50–80%.
- Particularmente eficaz no controlo de ressonâncias.
- Alarga o pico de velocidade crítica, tornando-o menos pronunciado.
- Permite uma passagem mais segura e suave pelas velocidades críticas — visível como um pico mais suavizado num Diagrama de Bode during run-up.
Melhoria da estabilidade
- Aumenta a velocidade de início (limiar) para instabilidades.
- Pode prevenir redemoinho de óleo quando combinado com rolamentos de elementos rolantes.
- Acrescenta amortecimento positivo que contraria as forças desestabilizadoras de acoplamento cruzado.
9. Conceção, Análise e Verificação em Campo
Projetar corretamente um amortecedor de filme de aperto exige um estudo integrado de todo o sistema rotor-mancal:
- Análise rotor-dinâmica: modelando o rotor, os rolamentos e o amortecedor em conjunto para prever a resposta e a estabilidade.
- Análise de filme fluido: soluções da equação de Reynolds para a distribuição de pressão no filme.
- Análise não linear: considerando a cavitação e o comportamento dependente da amplitude.
- Análise térmica: aumento de temperatura do óleo e dissipação de calor.
- Software especializado: pacotes de rodinâmica como DyRoBeS e XLTRC incluem modelos de SFD.
Por melhor que seja o projeto, a sua função real é manter a vibração medida dentro de limites aceitáveis, e isso é confirmado na máquina em funcionamento e não no papel. Um analisador portátil de dois canais como o Balanset-1A é a ferramenta prática para essa verificação: com acelerómetros nas caixas dos rolamentos, captura a amplitude e fase through a arranque ou desaceleração, permitindo ao engenheiro observar a largura e a profundidade do pico de velocidade crítica amortecida e confirmar que o rotor atravessa a ressonância em segurança. Se o desequilíbrio residual desequilíbrio estiver a alimentar a ressonância, o mesmo instrumento pode equilibragem no local o rotor — porque mesmo o melhor amortecedor funciona melhor quando a excitação que tem de absorver é minimizada primeiro.
10. Quando Utilizar — e Quando Não Utilizar
Aplicações recomendadas
- Máquinas de alta velocidade: funcionamento próximo ou acima das velocidades críticas.
- Sistemas de rolamentos de elementos rolantes: onde os próprios rolamentos proporcionam pouco amortecimento.
- Rotores flexíveis: em funcionamento acima da primeira velocidade crítica.
- Problemas de estabilidade: onde as instabilidades do rotor constituem um risco real.
- Controlo transitório: reduzindo a vibração durante o arranque e a paragem.
Não recomendado quando
- O funcionamento é a baixa velocidade e o amortecimento não é crítico.
- As restrições de espaço impedem a instalação.
- Não está disponível um sistema de abastecimento de óleo fiável.
- Os recursos de manutenção são limitados — os amortecedores acrescentam um sistema de óleo a manter.
- Medidas mais simples, como a equilibragem ou alinhamento, já cumprem essa função.
O amortecedor de película de aperto é uma solução elegante para o controlo de vibrações em máquinas rotativas de alta velocidade. Ao proporcionar um amortecimento substancial com quase nenhuma rigidez adicional, permite o funcionamento seguro através de velocidades críticas, suprime instabilidades destrutivas e alarga o envelope de operação — tudo num conjunto compacto e passivo que não exige mais do que um fornecimento limpo e contínuo de óleo.
