Limites de vibrações em turbomáquinas
Limites de vibrações em turbomáquinas de acordo com a ISO 20816
Neste artigo trata-se do tema de limites de vibrações em turbomáquinas, com chumaceiras de pelicula fluída, de acordo com as normas ISO 20816.
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1 Máquinas abrangidas
A série de normas ISO 20816 tem quatro normas que se aplicam neste âmbito:
- ISO 20816-2 Vibrações mecânicas – Medição e avaliação das vibrações das máquinas – Parte 2: Turbinas a gás, turbinas a vapor e geradores terrestres de potência superior a 40 MW, com chumaceiras de película fluida e velocidades nominais de 1500 r/min, 1800 r/min, 3000 r/min e 3600 r/min
- ISO 20816-4 Vibrações mecânicas – Medição e avaliação das vibrações das máquinas – Parte 4: Turbinas a gás de potência superior a 3 MW, com chumaceiras de película fluida
- ISO 20816-5 Vibrações mecânicas – Medição e avaliação das vibrações das máquinas – Parte 5: Conjuntos de máquinas em centrais hidráulicas de produção de energia e de armazenamento por bombagem
A seguinte norma, que se aplicará a turbinas industriais de pequena dimensão, ainda não foi publicada.
- ISO/AWI 20816-10 Vibrações mecânicas – Medição e avaliação das vibrações das máquinas – Parte 10: Turbomáquinas
Temos assim as máquinas agrupadas de acordo com a seguinte tabela.
Tabela I – Tipo de máquinas e normas aplicáveis
| Tipo de turbina | ||||
| A vapor | A gás | Hídrica | ||
| Grupos geradores com mais de 40 MW | Outras turbinas | Grupos geradores com mais de 40 MW | Com mais de 3 MW | Todas (chumaceira de pelicula fluida2) |
| ISO 20816-2 | ISO 20816-101 | ISO 20816-2 | ISO 20816-4 | ISO 20816-5 |
1Não publicada
2 As máquinas hídricas com chumaceiras de rolamentos, são abrangidas pela ISO 20816-3
2 Medidas abrangidas pelos limites
As medidas para as quais são apresentados limites, são apresentadas na seguinte tabela.
Tabela II – Medidas para as quais são apresentados limites
| Medida | ISO 20816 | ||
| Parte 2 | Parte 4 | Parte 5 | |
| Vibrações relativas | X | X | X |
| Vibrações absolutas | X | X | X |
| Variação do nível de vibrações | X | X | X |
| Folga diametral da chumaceira | X | X | X |
| Vetor | X | X | X |
| Temperatura | X | ||
3 Zonas limites de vibrações
As zonas limites de vibrações são as que se vem na tabela a seguir apresentada.
Tabela III – Zonas limites de vibrações
| ISO 20816-2 | ISO 20816-4 | ISO 20816-5 |
| A | A | |
| B/C | B/C | A/B |
| C/D | C/D | C/D |
| D | D | D |
Limites de vibrações em turbomáquinas – Figura 1 – Níveis de vibrações excedem limites pré-definidos
4 Limites de vibrações em turbomáquinas – Variação do nível de vibrações
Estas três normas recomendam que se estabeleça um alerta quando a variação do nível de vibração é de 25%, ou mais.
A 20816-5 também recomenda que se ocorrer uma variação de fase superior a 30% se investigue o que está a ocorrer.
Limites de vibrações em turbomáquinas – Figura 2 – Variação da amplitude das vibrações
5 Limites de vibrações em turbomáquinas – Folga diametral das chumaceiras
As três normas recomendam um limite das vibrações em deslocamento pico-pico, medidas com sensores de proximidade, relativamente à folga diametral dos moentes nas chumaceiras de pelicula fluída. Estes limites estão referidos na tabela a seguir apresentada.
Tabela IV – Limite das vibrações em deslocamento pico-pico em percentagem da folga diametral
| ISO 20816-4 / ISO 20816-2 | ISO 20816-5 | |
| A/B | 40% da folga diametral | |
| B/C | 60% da folga diametral B | |
| C/D | 70% da folga diametral | 70% da folga diametral |
| D | D | D |
6 Limites de vibrações em turbomáquinas – Vetor
As três normas referem o que consta na ISO 20816-1 sobre este tema, como a seguir referido.
“A avaliação considerada neste documento é limitada à vibração de banda larga sem referência a componentes de frequência ou fase. Isso é, na maioria dos casos, adequado para fins de teste de aceitação e monitoramento operacional. No entanto, em alguns casos, o uso de informações vetoriais para avaliação de vibração, pode ser desejável, em certos tipos de máquinas.
As informações de alteração de vetor, são particularmente úteis na deteção e definição de alterações no estado dinâmico de uma máquina. Em alguns casos, essas mudanças não seriam detetadas ao usar medições de vibração de banda larga.”
Limites de vibrações em turbomáquinas – Figura 3 – Variação de fase relacionada com a variação de posição de um impulsor solto no veio, numa turbo-bomba.
7 Temperaturas
A única norma a referir limites de temperaturas é a que se refere a máquinas hídricas, ou seja, a 20816-5.
8 Exemplo – Limites de vibrações num gerador hídrico vertical, com turbina Francis, do Grupo 4, de acordo com ISO 20186-5
Limites de vibrações em turbomáquinas – Figura 4 – Grupo gerador Francis
Operação dentro das condições nominais da máquina
Para este tipo de máquinas, os limites de vibrações são os que se podem ver na tabela a seguir apresentada.
Estes limites são independentes da altura e caudal, e são válidos para quando a máquina se encontra a funcionar dentro do seu regime normal de funcionamento. Para grupos Francis, com veio vertical, a gama de funcionamento normal é de 70% a 100 %, da potência nominal.
É essencial realizar medições de vibração relativas do veio e absolutas da chumaceira para obter uma boa avaliação do estado da máquina e da possibilidade de falha.
Tabela V – Limites de vibrações e temperaturas para grupos geradores com turbina Francis e veio vertical (Grupo 4)
| 5 Francis vertical | Vibraçoes relativas do veio Sp-p , μm | Vibraçoes da carcaça das chumaceiras vrms , mm/s | ||
| Turbina | Gerador – Lado turbina | Turbina | Gerador – Lado turbina | |
| Limite de ação 1 (A-B/C) | 180 | 180 | 0,9 | 0,5 |
| Variação do nível de vibração | >25% | |||
| Variação da fase da vibração a 1 x RPM | >30º | |||
| Limite de 70% da folga diametral das chumaceiras | 440 μm x 70%=308 μm | 540 μm x 70% = 378 μm | – | – |
| Temperatura de chumaceiras | Ver explicação a seguir | |||
| Limite de ação 2 (C/D) | 280 | 280 | 1,4 | 0,8 |
O significado dos diversos limites é o seguinte:
Zona A-B: Máquinas com valores de vibração que não excedam o Limite de Ação I, são consideradas aceitáveis para operação de longa duração, sem restrições; assumido que não existem outras indicações de problemas tais como temperatura elevada das chumaceiras a exceder os limites definidos, ou o deslocamento relativo do veio a exceder 70% da folga diametral da chumaceira a frio.
Zona C: Máquinas com valores de vibração nesta zona indicam ou investigações adicionais ou para alguma ação para reduzir as vibrações. Os primeiros parâmetros a serem investigados devem ser a temperatura das chumaceiras, ou o deslocamento relativo do veio a exceder 70% da folga diametral da chumaceira a frio.
Zona D: Valores de vibração nesta zona, indicam que existe uma probabilidade de dano para a máquina. É, portanto, requerida ação imediata para identificar as causas para os elevados níveis de vibração.
O diagrama de fluxo a seguir apresentado mostra como os limites da zona podem ser utilizados para identificar se é necessária uma investigação e/ou ação adicional.
Limites de vibrações em turbomáquinas – Figura 5 – Diagrama de fluxo mostrando como os limites da zona podem ser utilizados para identificar se é necessária uma investigação e/ou ação adicional
Limite de 70% da folga diametral das chumaceiras: Quando a vibração do veio é superior a 70% da folga diametral da chumaceira a frio, isto indica que existe uma probabilidade elevada de ocorrer dano na máquina.
Variação do nível de vibração: Serão empreendidas ações quando os limites de ação indicados na Tabela V forem ultrapassados. Pode ser admissível o funcionamento continuado a estes níveis de vibração, se não tiver havido historial de problemas com as máquinas e os níveis de vibração não se alteraram. Contudo, se houver uma alteração no nível das vibrações (>25%) do veio e/ou da chumaceira, recomenda-se uma investigação. Uma alteração significativa na vibração medida requer ação mesmo que o limite de ação (A-B/C) não tenha sido atingido.
Variação da fase da vibração a 1 x RPM: É considerada significativa uma alteração na fase (>30°) do sinal de vibração, relativamente aos valores de referência previamente estabelecidos (ou seja, tomados menos de 3 meses antes da deteção da alteração), particularmente se as alterações forem súbitas.
Estes limites são independentes da altura e caudal, quando a máquina se encontra a funcionar dentro do seu regime normal de funcionamento.
Temperatura das chumaceiras: De acordo com a norma referida, para todos os limites de vibrações definidos, aplica-se o seguinte:
- Nas chumaceiras guia, a temperatura de estabilização do metal antifricção convencional, deve ser inferior a 65 °C; na maioria das máquinas as temperaturas estabilizam em torno de 50 °C;
- Na chumaceira de impulso, a temperatura de estabilização do metal antifricção convencional, deve ser inferior a 85 °C; na maioria das máquinas as temperaturas estabilizam em torno de 70 °C;
- Temperatura superiores ao mencionado podem ser aceitáveis, mas requerem uma justificação ou investigação a efetuar pelo fornecedor.
Operação fora das condições nominais da máquina
Deve ser dada atenção às seguintes condições de funcionamento onde podem ocorrer elevados níveis de vibração nomeadamente, estado estável com carga parcial, em sobrecarga, e durante condições transitórias de funcionamento durante o arranque e a paragem.
A avaliação das medições em qualquer uma destas condições é muito mais difícil do que, para as medições normais com funcionamento dentro das condições de projeto. Atualmente, os dados disponíveis são insuficientes para estabelecer limites para estas condições especiais de funcionamento.
