Compreender a turbulência na análise de vibração
Na análise de vibrações, turbulência refere-se ao fluxo caótico, aleatório e instável de um fluido — líquido ou gás — através de uma máquina, como uma bomba, um ventilador ou uma turbina. Este fluxo irregular cria flutuações de pressão que atuam como uma função de excitação, induzindo uma oscilação aleatória de baixa frequência vibração na estrutura da máquina. Ao contrário das forças discretas e periódicas produzidas por desequilíbrio ou desalinhamento, a vibração da turbulência não ocorre em uma única frequência nítida. Em vez disso, ela aparece como uma “saliência” de energia de banda larga e não sincronizada no Espetro FFT — e reconhecendo que essa característica é fundamental para o diagnóstico correto.
1. Definição: O que é a turbulência?
A turbulência é, fundamentalmente, um fenómeno de fluxo e não um defeito mecânico. Quando um fluido se move suavemente ao longo do seu percurso previsto, a pressão que exerce sobre as pás, as aletas e as carcaças é constante; quando esse fluxo se fragmenta em redemoinhos e turbulências, a pressão torna-se uma carga que varia rapidamente e é estatisticamente aleatória. A estrutura da máquina responde a esta força aleatória exatamente como responde a qualquer outra excitação — vibrando — mas, como a própria força não tem um período fixo, a vibração resultante também não tem uma frequência fixa. Isto coloca a turbulência na família mais ampla da excitação induzida pelo fluxo, juntamente com forças hidráulicas em bombas e forças aerodinâmicas em ventiladores e sopradores, e está intimamente relacionado com o conceito de turbulência do fluxo como fonte de vibração.
2. Características da vibração turbulenta
- Freqüência: um fenómeno de baixa frequência, normalmente abaixo dos 10–20 Hz e muito abaixo da velocidade de funcionamento da máquina.
- Natureza de banda larga: Ele não produz um pico nítido e distinto. Em vez disso, eleva o nível de ruído na região de baixa frequência do espectro, frequentemente descrito como uma "saliência aleatória" ou "palheiro".
- Aleatório e não periódico: a vibração não é constante — a amplitude e fase flutuam constantemente e de forma aleatória. No forma de onda temporal apresenta-se como um sinal caótico e não repetitivo, sem um padrão de repetição claro.
- Direção: A vibração é normalmente radial e pode ocorrer tanto na direção horizontal como na vertical.
Uma vez que a energia se distribui por uma banda em vez de se concentrar numa linha, o nível geral de vibração pode aumentar significativamente, mesmo que nenhum pico espectral isolado pareça preocupante — um padrão que vale a pena ter em conta ao analisar as tendências das leituras globais.
3. Causas comuns de turbulência
A turbulência é um problema hidráulico ou aerodinâmico causado por perturbações no fluxo suave e projetado do fluido. As causas comuns incluem:
- Funcionamento fora do ponto de melhor eficiência (BEP): As bombas e os ventiladores são concebidos para funcionar de forma mais eficiente e suave num ponto específico da sua curva de desempenho. O funcionamento significativamente acima ou abaixo do caudal BEP obriga o fluido a mover-se de forma ineficiente, gerando turbulência — e, com caudais muito baixos, isto pode traduzir-se em recirculação, um refluxo interno que é, por si só, uma fonte reconhecida de energia de baixa frequência.
- Obstruções no percurso do fluxo: Qualquer coisa que obstrua ou perturbe o percurso do fluido pode causar turbulência, incluindo tubagens mal concebidas (como uma curva acentuada imediatamente antes da entrada de sucção de uma bomba), válvulas parcialmente fechadas, filtros entupidos ou objetos estranhos.
- Incorporação de ar ou cavitação: bolhas de ar num líquido (arrastamento), ou a formação e o colapso de bolhas de vapor (cavitação), criam condições de elevada turbulência e impulsos que geram vibrações aleatórias significativas.
- Conceção inadequada do reservatório ou da entrada: Nas bombas, um reservatório mal concebido pode criar vórtices que aspiram ar e provocam turbulência diretamente na sucção.
4. Diagnóstico e diferenciação
A chave para diagnosticar a turbulência reside na sua natureza aleatória, de banda larga e de baixa frequência. Um analista experiente consegue frequentemente identificá-la pelo seu caráter “instável” e batimento- sensação semelhante à vibração da própria máquina. É importante, no entanto, distinguir a turbulência de outros problemas de baixa frequência que podem parecer superficialmente semelhantes:
- Frouxidão mecânica: A folga também gera ruído de banda larga, mas geralmente caracteriza-se por um aumento do ruído de fundo em toda a inteiro espetro, juntamente com harmónicos distintos da velocidade de rotação — harmónicos que estão ausentes na turbulência pura.
- Redemoinho de óleo: isto é um caso distinto subsíncrono atinge um pico de cerca de 0,4–0,48×, não sendo uma ampla protuberância de energia aleatória.
- Fricção: Um ruído de atrito pode gerar uma ampla gama de frequências, mas normalmente inclui muitos harmónicos e sub-harmónicos de alta frequência, e a sua forma de onda temporal pode apresentar picos truncados ou cortados.
Um gráfico de falhas baseado na frequência, como o Identificador da fonte de vibração pode ajudar a confirmar qual destas características está a observar e, nos casos em que se suspeita de cavitação, um Estimador de frequência de cavitação da bomba restringe ainda mais as opções.
5. Correção da turbulência
Uma vez que a turbulência é uma questão relacionada com o processo e não uma avaria mecânica, a solução reside normalmente na correção do problema operacional ou de conceção do sistema — e não na intervenção no rotor. As medidas corretivas típicas incluem ajustar o ponto de funcionamento da bomba ou do ventilador de volta ao seu ponto de eficiência máxima (BEP), abrir válvulas estranguladas, limpar filtros ou modificar a tubagem para eliminar uma perturbação do fluxo perto da entrada. O papel de diagnóstico do instrumento de vibração neste caso é confirmar que a energia de banda larga se origina genuinamente do fluxo e não de um defeito num componente rotativo. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A facilita essa distinção no terreno: ao capturar o espetro e a forma de onda temporal em cada chumaceira, permite-lhe confirmar que não existe nenhum pico síncrono dominante nem desequilíbrio residual a provocar a vibração — orientando a investigação para o processo, em vez de para a máquina, e evitando o erro comum de tentar equilibrar um problema que o equilíbrio não consegue resolver.
