Compreender as instabilidades de whirl e whip do rotor
Precessão e chicote — mais frequentemente encontrado como redemoinho de óleo e o chicote de óleo — são duas formas relacionadas e extremamente perigosas de autoexcitação, subsíncrono vibração que ocorrem em máquinas rotativas de alta velocidade que funcionam em chumaceiras de filme fluido (munhão) chumaceiras. Não são vibrações forçadas motivadas por falhas como desequilíbrio ou desalinhamento; em vez disso, são instabilidades do rotor em que o próprio movimento do rotor gera as forças que sustentam e amplificam a vibração. Em ambos os casos, o eixo «gira» — ele precessa para a frente numa órbita ampla dentro da folga do rolamento, traçando uma trajetória bastante distinta da sua própria rotação.
1. Definição: O que são o «whirl» e o «whip»?
Vale a pena distinguir duas noções que o termo coloquial «redemoinho» confunde. Giro é o rotor a girar em torno do seu próprio eixo geométrico. Precessão (ou precessão) é a rotação desse eixo, no seu conjunto, em torno de um círculo maior no interior do rolamento — imagine uma moeda a girar cujo centro também dá voltas à volta da mesa. Todos os rotores giram um pouco; o problema surge quando essa rotação deixa de ser uma resposta benigna a desequilíbrio residual e passa a ser autoexcitado, obtendo a sua energia da rotação constante e não de qualquer força externa. O «oil whirl» é a precessão autoexcitada impulsionada pela película de óleo do rolamento; o «oil whip» é a ressonância violenta em que pode evoluir. Como a fonte de energia é a própria rotação, estas instabilidades não podem ser compensadas — um contraste marcante em relação aos problemas síncronos.
2. O mecanismo: como é que isso acontece?
Num rolamento de película de fluido, o eixo rotativo não é suportado por contacto metal com metal, mas sim por uma camada de óleo sob alta pressão. O eixo não fica no centro do rolamento; desliza por um dos lados, deslocado pela carga que suporta. À medida que a superfície do munhão arrasta o óleo ao longo da fenda anular, o lubrificante circula a uma velocidade média ligeiramente inferior a metade da velocidade superficial do eixo — o fluido que entra em contacto com o eixo move-se à velocidade do eixo, o fluido contra a parede fixa do rolamento está praticamente imóvel e a média global situa-se ligeiramente abaixo de 0,5×.
O efeito de redemoinho do óleo ocorre quando esta película circulante começa a «empurrar» o eixo, que suporta uma carga leve, à sua frente, arrastando-o para uma ampla órbita para a frente em torno do rolamento. A frequência do redemoinho é determinada pela velocidade média da película de óleo, que se situa normalmente entre 42 % e 48 % da velocidade de funcionamento (0,42× a 0,48×). Aquela característica assinatura subsíncrona — próxima de, mas nunca exatamente, metade de velocidade de funcionamento — é a marca distintiva que os analistas procuram. (O valor de «pouco menos de metade» é também a razão pela qual o redemoinho de óleo é por vezes chamado, de forma informal, de «redemoinho a meia velocidade», embora o valor real nunca chegue a atingir exatamente 0,5×.)
3. Oil Whirl: O Precursor
O redemoinho de óleo é normalmente a fase inicial da instabilidade — um aviso, mas ainda não uma catástrofe. As suas características são:
- Freqüência: aparece como um pico distinto no FFT espectro entre 0,42× e 0,48× das RPM.
- Comportamento: a frequência do redemoinho aumentos à medida que a máquina acelera, mantendo sempre essa proporção de cerca de 45 % da velocidade de funcionamento. Durante a aceleração, sobe como uma sombra subsíncrona por baixo da linha 1×.
- Severidade: pode produzir uma vibração intensa, mas por vezes estável, e pode surgir ou desaparecer à medida que a carga, a velocidade ou a temperatura do óleo variam. É indesejável, sem dúvida — mas nem sempre destrutivo de imediato.
- Sensibilidade: Os rolamentos com carga reduzida, sobredimensionados ou desgastados são os culpados habituais, uma vez que uma carga específica baixa permite que a pressão do óleo determine a posição do eixo.
4. O «oil whip» (efeito chicote do óleo): o perigo crítico
O «oil whip» é uma condição muito mais grave que decorre diretamente do «oil whirl». Ocorre quando a máquina acelera ao ponto de a frequência do «oil whirl» (a cerca de 45 % da velocidade de funcionamento) aumentar até coincidir com a do rotor primeiro frequência natural - o seu primeiro velocidade crítica. Nesse momento, o redemoinho «fixa-se» na frequência natural e excita uma ressonância. As suas características são:
- Freqüência: a vibração fixa-se na primeira frequência natural do rotor e não sobe mais, mesmo à medida que a máquina continua a acelerar — pelo que o pico subsíncrono «estabiliza», enquanto o pico de 1× continua a aumentar.
- Amplitude: a vibração intensifica-se bastante, tornando-se violenta e instável.
- Comportamento: O efeito chicote do óleo é extremamente destrutivo e irá não agravar-se ainda mais com o aumento da velocidade. Pode danificar os rolamentos, as juntas e o próprio rotor num curto espaço de tempo, por vezes de forma grave fricção do rotor à medida que a órbita preenche o espaço livre.
A velocidade a que o efeito de chicote se instala é normalmente pouco superior a o dobro da primeira velocidade crítica do rotor — o ponto em que a linha de vórtice de ~0,5× cruza a primeira frequência natural. Uma máquina afetada pelo efeito de chicote de óleo necessita de uma intervenção imediata encerramento; este é precisamente o cenário que proteção de máquinas Os sistemas são concebidos para disparar.
5. Como identificar o «whirl» e o «whip»
- Análise do espetro: procure um pico subsíncrono acentuado. Durante uma aceleração, se a frequência desse pico aumentar com a velocidade, trata-se de um «whirl»; se se mantiver estável num valor fixo enquanto o pico 1× continua a subir, significa que passou para um «whip».
- Traçado da órbita: A órbita do eixo é um grande círculo ou elipse com precessão para a frente, frequentemente com a componente 1× sobreposta, dando origem a um padrão característico em forma de «laço».
- Diagrama em cascata: uma queda de água (ou cascata) O gráfico de um arranque oferece a imagem mais clara possível, mostrando que a frequência do redemoinho aumenta com a velocidade até cruzar a primeira frequência natural e bloquear em chicote. Mapear esses cruzamentos é exatamente o que um Diagrama de Campbell é para.
Uma vez que os efeitos de redemoinho e chicote ocorrem abaixo de 1×, o analisador deve atingir uma velocidade bem inferior à de funcionamento e determinar a fase com precisão. Um instrumento portátil de dois canais, como o Balanset-1A capta a sincronização amplitude e fase da componente de velocidade de rotação durante uma aceleração ou desaceleração, o que permite a um engenheiro confirmar no local se um pico de baixa frequência persistente se deve a uma verdadeira instabilidade do rolamento, em vez de um simples desequilíbrio — e, o que é igualmente útil, descartar um problema de equilíbrio antes de tentar uma solução que nunca iria funcionar.
6. Causas e soluções
Estas instabilidades são determinadas pelo projeto dos rolamentos, pela geometria do rotor, pela viscosidade do óleo, pela temperatura e pela carga — um conjunto complexo de interações formalmente descrito em dinâmica do rotor. Não são causados por desequilíbrios e não podem ser curados por equilíbrio; as soluções passam por alterações ao nível do design:
- Opte por uma geometria de rolamento mais estável, como um rolamento de mancal com almofada basculante.
- Altere a viscosidade do óleo ou a temperatura de funcionamento para alterar o comportamento da película.
- Aumente a carga específica do rolamento para que o eixo assente firmemente e a cunha de óleo deixe de exercer influência.
- Adicione ranhuras, barreiras axiais ou perfis em forma de limão que interrompam o fluxo circunferencial de óleo que alimenta o redemoinho.
Uma instabilidade intimamente relacionada, redemoinho de vapor, resulta de forças aerodinâmicas e não de forças da película de óleo nas turbinas, mas produz um quadro subsíncrono autoexcitado semelhante — o que nos lembra que a “precessão” é uma família de fenómenos unidos por uma característica comum: o rotor a injetar energia na sua própria órbita.
