Compreendendo o chicote de eixo em máquinas rotativas
Definição: O que é Shaft Whip?
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 que ocorre quando um rotor operando em mancais de filme fluido excede uma velocidade limite crítica, normalmente cerca de duas vezes a primeira velocidade crítica. Uma vez que o chicote ocorre, a frequência de vibração “trava” no primeiro rotor frequência natural e permanece lá independentemente de novos aumentos de velocidade, com amplitude limitada apenas por folgas de rolamento ou falhas catastróficas.
O chicote do eixo é uma das condições mais perigosas em máquinas rotativas de alta velocidade porque se desenvolve repentinamente, cresce para amplitudes destrutivas em segundos e não pode ser corrigido por balanceamento ou outros métodos convencionais. Requer desligamento imediato e modificações no sistema de rolamentos para evitar recorrência.
A Progressão: Redemoinho de Óleo para Chicote de Eixo
Estágio 1: Operação estável
- O rotor opera abaixo do limite de instabilidade
- Apenas vibração forçada normal de desequilíbrio presente
- A película de óleo do rolamento fornece suporte estável
Estágio 2: Início do turbilhão de óleo
À medida que a velocidade aumenta além de aproximadamente 2× a primeira velocidade crítica:
- Redemoinho de óleo desenvolve vibração subsíncrona a ~0,43-0,48× velocidade do eixo
- A amplitude é inicialmente moderada e dependente da velocidade
- A frequência aumenta proporcionalmente com a velocidade do eixo
- Pode ser intermitente ou contínuo
- Pode coexistir com vibração normal 1X de desequilíbrio
Estágio 3: Transição do Chicote
Quando a frequência do turbilhão de óleo aumenta para corresponder à primeira frequência natural:
- Bloqueio de frequência: A frequência de vibração é bloqueada na frequência natural
- Amplificação Ressonante: A amplitude cresce dramaticamente devido a ressonância
- Início repentino: A transição do redemoinho para o chicote pode ser instantânea
- Independência de velocidade: Aumentos adicionais de velocidade não alteram a frequência, apenas a amplitude
Estágio 4: Chicote de eixo (condição crítica)
- Vibração em frequência constante (primeira frequência natural, tipicamente 40-60 Hz)
- Amplitude 5-20 vezes maior que a vibração de desequilíbrio normal
- O eixo pode entrar em contato com os limites de folga do rolamento
- Aquecimento rápido de rolamentos e óleo
- Potencial de falha catastrófica em minutos se não for desligado
Mecanismo Físico
Como o Oil Whip se desenvolve
O mecanismo envolve a dinâmica dos fluidos no filme de óleo do mancal:
- Formação de cunha de óleo: À medida que o eixo gira, ele arrasta o óleo ao redor do rolamento, criando uma cunha pressurizada
- Força tangencial: A cunha de óleo exerce uma força perpendicular à direção radial (tangencial)
- Movimento de órbita: A força tangencial faz com que o centro do eixo orbite aproximadamente a metade da velocidade do eixo
- Extração de energia: O sistema extrai energia da rotação do eixo para sustentar o movimento orbital
- Bloqueio de ressonância: Quando a frequência da órbita corresponde à frequência natural, a ressonância amplifica a vibração
- Ciclo limite: A vibração aumenta até ser limitada pela folga ou falha do rolamento
Identificação Diagnóstica
Assinatura de vibração
O chicote do eixo produz padrões característicos nos dados de vibração:
- Espectro: Grande pico em frequência subsíncrona (primeira frequência natural), constante independentemente das mudanças de velocidade
- Terreno em cascata: O componente subsíncrono 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: Grande órbita circular ou elíptica em frequência natural
Velocidade de início
- Limiar típico: 2,0-2,5× primeira velocidade crítica
- Dependente de rolamento: O limite específico varia de acordo com o projeto do rolamento, pré-carga e viscosidade do óleo
- Início repentino: Um pequeno aumento de velocidade pode desencadear uma transição rápida de estável para instável
Estratégias de Prevenção
Modificações no projeto do rolamento
1. Rolamentos de pastilhas basculantes
- Solução mais eficaz para evitar chicoteamento do eixo
- As pastilhas giram independentemente, eliminando forças desestabilizadoras de acoplamento cruzado
- Inerentemente estável em amplas faixas de velocidade
- Padrão da indústria para turbomáquinas de alta velocidade
2. Mancais de barragem de pressão
- Rolamento cilíndrico modificado com ranhuras ou barragens
- Aumenta o amortecimento e a rigidez eficazes
- Menos caro que o bloco basculante, mas menos eficaz
3. Pré-carga do rolamento
- A aplicação de pré-carga radial aos rolamentos aumenta a rigidez
- Aumenta a velocidade limite para instabilidade
- Pode ser alcançado por meio de projetos de furos deslocados
4. Amortecedores de filme de compressão
- Elemento de amortecimento externo envolvendo o rolamento
- Fornece amortecimento adicional sem alterar o design do rolamento
- Eficaz para aplicações de retrofit
Medidas Operacionais
- Limitação de velocidade: Restringir a velocidade máxima de operação abaixo do limite (normalmente < 1,8× primeiro crítico)
- Gerenciamento de carga: Operar com cargas de rolamento mais altas quando possível (aumenta o amortecimento)
- Controle de temperatura do óleo: A temperatura mais baixa do óleo aumenta a viscosidade e o amortecimento
- Monitoramento: Monitoramento contínuo de vibração com alarmes definidos para componentes subsíncronos
Consequências e Danos
Efeitos imediatos
- Vibração violenta: As amplitudes podem atingir vários milímetros (centenas de milésimos)
- Barulho: Som alto e distinto, diferente da operação normal
- Aquecimento rápido do rolamento: As temperaturas dos rolamentos podem aumentar de 20 a 50°C em minutos
- Degradação do óleo: Altas temperaturas e cisalhamento degradam o lubrificante
Falhas potenciais
- Limpeza de rolamentos: O material do babbitt derrete e é eliminado
- Danos no eixo: Pontuação, escoriação ou flexão permanente
- Falha de vedação: O movimento excessivo do eixo destrói as vedações
- Quebra do eixo: Fadiga de alto ciclo devido à oscilação violenta
- Danos no acoplamento: Forças transmitidas danificam os acoplamentos
Fenômenos relacionados
Redemoinho de óleo
Redemoinho de óleo é o precursor do chicote:
- Mesmo mecanismo, mas a frequência não está bloqueada 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 causada por forças aerodinâmicas em vedações de labirinto, em vez de películas de óleo nos mancais. Apresenta vibração subsíncrona semelhante, travada na frequência natural.
Chicote de fricção seca
Pode ocorrer em locais de vedação ou no contato rotor-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 do selo)
Estudo de caso: Chicote de eixo de compressor
Cenário: Compressor centrífugo de alta velocidade com rolamentos cilíndricos simples
- Operação normal: 12.000 RPM com vibração de 2,5 mm/s
- Aumento de velocidade: Operador aumentou para 13.500 RPM para maior capacidade
- Início: A 13.200 RPM, uma vibração violenta repentina se desenvolveu
- 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 chicote em 2 × crítico = 5400 RPM foi excedido
- Solução: Substituição de mancais simples por mancais de inclinação, permitindo operação segura até 15.000 RPM
Padrões e práticas da indústria
- API 684: Requer análise de estabilidade para turbomáquinas de alta velocidade
- API 617: Especifica os tipos de rolamentos e requisitos de estabilidade para compressores
- ISO 10814: Fornece orientação sobre a seleção de rolamentos para estabilidade
- Práticas da indústria: Rolamentos de pastilha basculante padrão para equipamentos operando acima de 2× primeira velocidade crítica
O chicoteamento do eixo representa um modo de falha catastrófico que deve ser prevenido por meio da seleção e do projeto adequados do rolamento. O reconhecimento de sua assinatura de vibração subsíncrona e com frequência bloqueada permite um diagnóstico rápido e uma resposta de emergência adequada, evitando danos dispendiosos a equipamentos rotativos críticos de alta velocidade.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 