Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas
Neste artigo faz-se uma introdução à razão de se efetuarem ensaios de arranques e paragens de turbomáquinas com um analisador de vibrações.
Este artigo pertence a uma série, que constitui o material de suporte do curso de análise de vibrações em turbomáquinas. As ligações para os outros artigos podem ser encontradas aqui.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas – quando têm lugar
A intervenção de acompanhamento de arranques e paragens de turbomáquinas normalmente tem lugar:
- Antes de uma revisão
- Apos uma revisão
- Diagnóstico de um comportamento anormal
Normalmente este serviço e implementado em máquinas de grande dimensão, alta velocidade, com chumaceiras de pelicula de óleo e proximitors.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas– Figura 1
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas – A informação fornecida pelo estado transitório
A vibração de uma máquina num estado transitório, é usada para fornecer muito mais informações do que apenas os dados de estado estacionário. Os dados de vibração transitória são definidos como dados de vibração obtidos quando a máquina arranca ou para (ou seja, grandes mudanças na velocidade).
A vibração transitória de uma máquina fornece uma quantidade de informações que não está disponível em dados em estado estacionário. Entre estes estão:
- A capacidade de comparar a amplitude de vibração, fase, posição do veio, etc., em velocidades acima e abaixo das velocidades críticas do veio;
- A melhor assinatura das frequências naturais gerais do rotor, que normalmente são resultado da relação complexa entre o rotor e suportes (chumaceiras, vedações, etc.) e a natureza dinâmica do próprio rotor;
Tão importante quanto as comparações listadas acima é a capacidade de comparar dados transitórios antes e depois de existir um problema na máquina. As avaliações das condições das máquinas são muito mais fáceis quando a capacidade de comparar o antes e o depois está disponível.
Da mesma forma, é muito importante avaliar muitos tipos diferentes de gráficos para exibir dados de vibração. O uso de apenas um tipo de gráfico limita a capacidade do especialista em máquinas de obter uma “imagem” adequada da sua condição.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas – Equipamento de diagnóstico
A obtenção de dados de vibração de arranques e paragens requer um equipamento de diagnóstico, multicanal, especializado, como o seja o sistema de aquisição da Meggitt Vibrometer apresentado na imagem, baseado na carta XMV16 / XIO16T de monitorização de vibração do sistema VM600.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas – Figura 2
As suas funcionalidades principais são as seguintes:
- Projetada para operação com o software VibroSight®
- 16 canais de vibração dinâmica e 4 canais de tacómetros, todos configuráveis individualmente
- Aquisição simultânea de dados em todos os canais
- Até 20 saídas processadas configuráveis, por canal
- FFT de alta resolução de até 6400 linhas a cada 1 s
- Amostragem configurável assíncrona e síncrona
- Aquisição de dados de 24 bits e dados com grande relação sinal-ruído, com verificações de qualidade de dados
- 5 níveis de gravidade configuráveis, por saída processada
- 8 níveis de deteção com histerese e atraso de tempo
- Comunicação Ethernet Gigabit direta
- O hardware é totalmente configurável por software
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinass – a configuração do sistema
As seguintes preocupações devem ser tidas em conta quando se efetua a configuração do sistema.
- Número de canais a monitorar;
- Número de amostras – o método de amostragem (ou seja, velocidade delta ou tempo delta) deve ser ajustado com base na configuração da máquina para garantir que dados suficientes sejam coletados para análise;
- Frequência máxima/número de linhas—Dependendo da configuração da máquina e da finalidade da análise, a frequência máxima e o número de linhas para o algoritmo de transformada rápida de Fourier (FFT) tornam-se muito importantes. Em máquinas acionadas por motores elétricos, o tempo de aceleração é muitas vezes bastante rápido (ou seja, menos de 10 segundos). Para essas aplicações, para obter dados adequados, a frequência máxima deve ser tão alta quanto razoável para reduzir o tempo de aquisição de dados. Da mesma forma, o número de linhas deve ser o menor possível e ainda fornecer resolução adequada. Se o especialista estiver interessado principalmente em vibração síncrona, a resolução não será tão importante quanto o número de amostras obtidas. No entanto, se múltiplas frequências não-síncronas estiverem presentes no sinal de vibração, a resolução obviamente se torna mais importante;
- Número de vetores por amostra de forma de onda— a frequência da amostra deve ser examinada de perto para fornecer o número correto de espectros (ou seja, mais amostras de vetor podem ser necessárias do que o necessário para obter amostras de forma de onda adequadas);
- Sinal do tacómetro —O sinal do tacómetro é extremamente importante, pois a maior parte da análise digital depende deste valor. Por esta razão, a mudança de tensão produzida pelo do tacómetro deve ser configurada corretamente no software e monitorada durante a aquisição dos dados.
Tipos de gráficos de dados transitórios
Os dados das vibrações transitórias podem ser exibidos em vários formatos diferentes. Cada tipo pode revelar informações que não estão prontamente disponíveis no outro. Por esta razão, todos os tipos devem ser usados ao avaliar a condição de uma máquina. Os diferentes tipos de gráficos são:
Gráficos Bodé e Polares
Os gráficos de Bodé são o método mais comum de exibição de dados transitórios. Normalmente exibem vibração global ou síncrona (no entanto, os dados nX também podem ser exibidos) e fase correspondente, versus velocidade de rotação. As frequências naturais do rotor podem ser determinadas localizando o pico na amplitude de vibração que corresponde também a uma mudança de fase de aproximadamente 180 graus.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas– Figura 3
Os gráficos polares mostram os mesmos dados que os gráficos de Bodé, apenas em um formato diferente. Às vezes, os gráficos polares facilitam a determinação de quando o rotor cruzou sua velocidade crítica, porque a mudança de fase é óbvia (ou seja, a cada 180 graus no gráfico). Por exemplo, a partir do gráfico de Bodé mostrado na anterior, não é imediatamente óbvio que este rotor está se aproximando da segunda velocidade crítica. No entanto, no gráfico polar isto é muito claro.
Arranques e paragens de turbomáquinas – Figura 4
Para o gráfico Bodé ou polar ser mais preciso, os dados vetoriais devem ser compensados por excentricidade (run-out). Todas as áreas onde o proximitor mede têm uma certa quantidade de desvio físico e/ou elétrico. Os dados vetoriais são corrigidos para esta excentricidade subtraindo vectorialmente o vetor de vibração a uma rpm muito baixa de todos os dados vetoriais obtidos.
A Cacada e o Espetrograma
Nos gráficos em Cascada e mostrada a evolução do espetro ao longo do tempo ou da velocidade de rotação.
Na sua apresentação mais comum são como no gráfico, a seguir apresentado, em que se vem, ao longo do tempo, os espetros correspondentes a sucessivos arranques e paragens de um turbogerador. Por exemplo neste mapa espetral pode-se ver o surgimento de vibração sub- síncrona associada a instabilidade na chumaceira de pelicula de óleo.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas – Figura 5
Uma apresentação da mesma informação, menos comum, é o espetrograma. Este consiste no mapa espetral, visto de cima, em que as cores apresentadas são proporcionais a amplitude das vibrações.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas – Figura 6
No mapa espetral a seguir apresentado vê-se também a evolução do espetro completo.
Arranques e paragens de turbomáquinas – Figura 7
No mapa espetral de uma paragem ou arranque, normalmente são bem evidenciadas, as passagens da velocidade de rotação do veio da máquina pelas suas frequências críticas, como se pode ver a seguir.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas – Figura 8
A Órbita
O sinal no tempo fornece informação importante e útil, mas como o veio se mova numa trajetória a duas dimensões, esta informação é limitada. Neste tipo de movimento, em chumaceiras de metal anti-frição, em que a pelicula de óleo amortece as vibrações na carcaça da chumaceira, o sinal no tempo, fornecido por um acelerómetro, não é o mais adequado. Para monitorizar este movimento, os sensores de deslocamento que medem a vibração relativa entre o veio e a carcaça, são mais adequados, sobretudo quendo instalados aos pares.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas – Figura 9
Com dois sensores de deslocamento de vibração relativa (proximitors) existem condições para se conhecer o movimento do centro do veio nesse plano. Esta informação pode ser apresentada em dois sinais no tempo individuais, respetivamente a cada sensor, mas o ideal, é obter um gráfico que represente as duas dimensões do movimento do veio. Este gráfico designa-se por órbita. A órbita representa a trajetória do centro do veio no plano de leitura do par de sensores de proximidade. Os sensores são montados rigidamente na estrutura das máquinas, junto às zonas de apoio do veio (chumaceiras). Assim, a órbita representa a trajetória do centro do veio relativamente à estrutura da máquina. Devido à fácil interpretação e quantidade de informação que o gráfico contém, a órbita, conciliada com um indicador de fase, também conhecido por sensor de fase, é um gráfico eficaz para compreender os fenómenos físicos que ocorrem em máquinas rotativas.
No gráfico a seguir apresentada pode-se ver uma Órbita filtrada a velocidade de rotação.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas– Figura 11
A seguir podem-se ver as formas de onda medidas em pares de proximitors colocados a 90º e as orbitas não filtradas correspondentes.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas– Figura 12
As orbitas também podem ser apresentadas ao longo do tempo ou da velocidade de rotação, como se vê a seguir.
Porquê os arranques e paragens de turbomáquinas – Figura 13
Quando se utilizam proximitors como sensores de vibrações, a utilização da orbita é essencial para a compreensão dos fenómenos físicos em causa.
