Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio
Uma medição importante feita com os analisadores de vibrações é a dos arranques e paragens de turbomáquinas e Linha do Centro do Veio (Shaft Center Line- SCL). Esta última é efetuada com base na capacidade dos proximitors medirem a distância (DC) entre o seu topo e o veio.
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.
A importância da Linha do Centro do Veio
A órbita e a base de tempo apresentam dados dinâmicos (que mudam rapidamente) da posição do veio, mas não mostram mudanças na posição média do veio, que também é uma caraterística importante da resposta do sistema. Estas alterações são causadas por mudanças na carga radial estática ou por mudanças nas características de rigidez do sistema do rotor. Elas ocorrem rotineiramente durante os arranques ou paragens e durante o funcionamento em estado estacionário do sistema do rotor, em períodos relativamente curtos ou longos. Quando um sistema de rotor com chumaceiras de película fluida muda de velocidade, há mudanças nas características de rigidez da chumaceira, que causam uma mudança na posição média do veio. Assim, as alterações na posição do veio podem fornecer informações de diagnóstico muito importantes.
O gráfico da linha central média do veio fornece esta informação. Este gráfico foi concebido para mostrar alterações na posição média do veio; assim, o gráfico é eficazmente filtrado com filtro passa-baixo e não apresenta dados que mudam rapidamente (dinâmicos). No entanto, quando as informações do gráfico da linha central do veio são combinadas com outras informações, como folgas conhecidas, comportamento dinâmico da órbita e gráficos da linha central de outras chumaceiras, podemos obter uma imagem mais detalhada do movimento do veio, sua relação com as folgas disponíveis e as cargas radiais estáticas que atuam na máquina.
O gráfico da linha de centro média do veio é frequentemente usado para exibir mudanças na posição do veio versus velocidade, mas também é usado para exibir mudanças na posição do veio versus tempo, para que as alterações possam ser correlacionadas com a alteração das condições de funcionamento. Uma vez que algumas avarias (desalinhamento, fricção e instabilidade induzida por fluidos, para citar algumas) podem produzir alterações visíveis no comportamento da linha central, o gráfico da linha central do veio é uma ferramenta muito importante para a correlação com outros gráficos ao efetuar diagnósticos.
Informações contidas no gráfico da Linha do Centro do Veio
O gráfico da linha central média do veio pode ser usado para inferir muito sobre o estado de uma condição da máquina:
- Pode ser usado para medir o ângulo de posição do veio e estimar o ângulo de atitude do veio e a direção da carga;
- Pode ser usado para monitorizar o desgaste das chumaceiras, a erosão eletrostática e os efeitos térmicos;
- O comportamento de arranque e paragem de um veio numa chumaceira de película fluida pode ser comparado com o comportamento teórico e histórico;
- A alteração da posição do veio em relação ao círculo de folga é normalmente utilizada para deduzir se a alteração da posição do veio é apropriada para a condição de funcionamento esperada e para a geometria da chumaceira;
- A posição do veio posição do veio pode ser comparada entre chumaceiras, acoplamentos e máquinas para detetar para detetar potenciais problemas de desalinhamento ou de acoplamento;
- Finalmente, as alterações de carga ou de condições de funcionamento resultam frequentemente em alterações da posição do veio; estas podem ser examinadas para detetar sinais de comportamento anormal.
Curva característica de um proximitor
A figura a seguir mostra um gráfico de calibração típico para um determinado material e transdutor. A distância do objeto em proporção à ponta do transdutor é dada pela abcissa (eixo x) e a tensão de saída do condicionador é dada pela ordenada (eixo y).
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 1- Gráfico de calibração típico – quando a distância aumenta a tensão vai sendo cada vez menor
Durante a instalação, o transdutor está localizado a uma distância ideal do alvo, ou seja, no meio da faixa de medição linear. Isso é chamado de distância inicial (ajuste GAP). Quando a máquina se encontra parada e exclusivamente uma componente DC.
Se o alvo se mover, levando a variações na distância que o separa da ponta do transdutor, o sinal de saída do condicionador não é constante, mas varia em proporção direta ao movimento pico a pico do alvo (AC+DC).
A componente alternativa da voltagem indica a vibração do alvo em cada lado da distância inicial, conforme mostrado na figura a seguir. Representa, portanto, o movimento dinâmico do alvo.
A amplitude pico a pico representa a distância total de vibração de um veio, ou seja, da menor distância à maior distância do transdutor. Este sinal dinâmico pode ser empregue para fins de medição ou monitoramento.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 2 – Medição do movimento relativo entre o sensor e o veio
A componente DC serve para medir a distância da sonda ao alvo.
O par de proximitors
O sinal no tempo fornece informação importante e útil, mas como o veio se move 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 quando instalados aos pares.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 3 -Monitorização de vibrações com proximitors em máquinas com chumaceiras de pelicula de óleo
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 vista de duas formas distintas:
- Posição média do centro do veio na sua folga na chumaceira
- Movimento do centro do veio – Órbita
A posição média do centro do veio na sua folga na chumaceira (Shaft Centrer Line – SCL)
O gráfico da Linha do Centro do Veio exibe a posição média do veio devido a mudanças na carga radial estática ou nas características de rigidez do rotor.
Figura 4 – O gráfico da Linha do Centro do Veio exibe a posição média do veio
A seguir pode ver um vídeo sobre este tema.
A interpretação da apresentação da posição média do centro do veio na sua folga na chumaceira
Na figura a seguir apresentada pode-se ver o significado da informação apresentada no gráfico do SCL.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 5 – Significado da informação apresentada no gráfico do SCL
A posição do centro veio quando a máquina está parada
Ao visualizar os gráficos da linha de centro do veio, é necessário localizar a posição inicial do veio na folga, para obter um gráfico que corresponda ao movimento do veio, em relação ao círculo de folga.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 6 – Localização da posição inicial do veio na folga num veio horizontal
Razão de excentricidade
Qualquer força que coloque uma pré-carga lateral (radial) no rotor pode resultar numa alteração da posição da linha central do veio.
- As pré-cargas podem resultar de:
- Desalinhamento Crescimento térmico
- Deflexão da caixa
- Deformação do tubo
- Esfregamento do rotor
- Bombeamento
- Gravidade
- O desalinhamento devido ao crescimento térmico/deflexão é a principal causa de pré-carga lateral excessiva em turbinas a vapor.
- Utiliza-se o rácio de excentricidade como medida da resposta do veio às pré-cargas laterais
A excentricidade é a relação entre a distância do centro do veio ao centro da chumaceira, dividida pela folga radial do rolamento
Normalmente abreviado como e ou ER.
Exemplo 1:
Dado: 0,381 mm de folga radial da chumaceira
Os dados da linha de centro do eixo mostram que o veio opera a 0,076 mm do centro da chumaceira
ER = 0,076 / 0,38 = 0,2 posição alta na chumaceira
Exemplo 2:
O eixo opera a 0,229 mm do centro da chumaceira
ER = 0,229/ 0,381 = 0,6 típico
Se o veio estiver centrado no chumaceira, qual é e ?
ER = 0 / 0,381 = 0
Se estiver contra a parede da chumaceira?
ER = 0,381 / 0,381 = 1
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – O arranque de uma máquina
As medidas DC combinadas, desde a paragem, em girador e às mudanças de velocidade, devem ser revistos num gráfico da linha central do veio. Com a máquina parada, pode assumir-se que todos os moentes do rotor repousam no centro inferior das respetivas chumaceiras, numa máquina de veio horizontal.
Quando o conjunto do rotor é levantado com óleo, qualquer desalinhamento presente tem imediatamente como efeito uma mudança da posição dos centros dos veios nas chumaceiras, por a sua rigidez o tentar “endireitar”.
Note-se que este desalinhamento pode resultar de posições desalinhadas das chumaceiras que suportam um conjunto de rotores “naturalmente reto”, ou de um conjunto de rotores angularmente desalinhado colocado com o alinhamento correto nas chumaceiras (como quando os acoplamentos descentrados são puxados e aparafusados), ou ambos.
Em seguida, quando o binário do virador é aplicado, a inércia da massa dos rotores tenderá a endireitar ainda mais o conjunto de rotores, revelando qualquer desalinhamento horizontal das chumaceiras como um deslocamento lateral na linha de centro do eixo como se pode ver na figura a seguir apresentada.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio -Figura 7
Uma vez que os rotores de grandes dimensões são geralmente flexíveis, mesmo depois de se observar uma mudança de auto-endireitamento ao entrar em rotação lenta, se o desalinhamento das chumaceiras for suficientemente grande, permanece frequentemente uma curvatura estática residual no trem de rotores.
Isto fornece uma fonte de excentricidade, cujos efeitos podem ser vistos em todos os outros gráficos de dados a velocidades mais elevadas.
Se um rotor individual estiver muito curvado e for suficientemente rígido, a trajetória do moente pode traçar um círculo ou uma elipse plana na linha central do eixo, mesmo à velocidade de rotação lenta como se pode ver na figura a seguir apresentada.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 8
Por esta razão (entre outras), recomenda-se vivamente que não se utilize a subtração do runout ao efetuar a análise de dados de vibração. A subtração do vetor de runout destinava-se a “limpar” os sinais dinâmicos das irregularidades da superfície do casquilho, mas se o vetor de runout for uma indicação de excentricidade, serve para remover a melhor indicação de excentricidade da massa, que é frequentemente a causa principal de um problema de vibração.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – O comportamento “normal”
As duas trajetórias no na figura representam o comportamento “ideal” para as chumaceiras de almofadas basculantes e elípticas, respetivamente, como se pode ver na figura a seguir apresentada.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 9
| Chumaceiras hidrodinâmicas padrão (gráfico anterior, azul). | Chumaceiras de almofada basculante (gráfico anterior, vermelho) |
| Para uma dada direção de rotação do veio, a trajetória da linha central do veio deve mover-se na mesma direção que a rotação, à medida que o moente se desloca na película de óleo para cima do lado da chumaceira até atingir um ângulo de elevação de equilíbrio “pseudo-estático” | Para as, a trajetória deve ser inteiramente vertical |
Os gráficos da linha do central do veio ao longo de toda a gama de velocidades fornecem a melhor indicação do desalinhamento do trem de rotor relativamente ao alinhamento estático dos centros das chumaceiras.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – O desalinhamento
Se for observado um movimento horizontal inesperado, isso sugere que as chumaceiras estão fora de posição na horizontal como se pode ver na figura a seguir apresentada.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 10
Este movimento horizontal pode também indicar que o desalinhamento é a causa das fricções ou, em casos graves, a causa de chumaceiras desgastadas (gráfico do lado esquerdo).
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – As causas da histerese
As trajetórias da linha central do veio também indicam a presença de excentricidade da massa quando está presente histerese, com a magnitude da histerese a corresponder frequentemente à magnitude da excentricidade. Quando um rotor excêntrico é acelerado com binário, tende a se auto-alinhar com o seu eixo de massa apenas depois de passar pela primeira velocidade crítica. O conjunto total do rotor também tende a endireitar-se proporcionalmente ao binário aplicado, incluindo até à carga unitária máxima de MW sob binário máximo. Se existir um desalinhamento inicial, pode haver um movimento adicional notável da linha central do veio a uma velocidade constante ao longo da gama de carga, uma vez que o eixo de massa do conjunto do rotor continua a se auto-alinhar e a se endireitar com o aumento do binário e da inércia como se pode ver na figura a seguir apresentada.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 11
Quando o binário é subsequentemente libertado, e particularmente quando o rotor desce em velocidade sem binário, tende a manter a orientação de auto-alinhamento que alcançou enquanto estava a ser acionado com binário, e irá frequentemente manter esta orientação até passar abaixo da primeira velocidade crítica. Isto cria uma volta visível na trajetória da linha do centro do veio (figura anterior).
Em algumas ocasiões, a posição da linha central do eixo vertical pode ser visivelmente diferente para uma velocidade equivalente durante o arranque e a paragem. Isto pode ser causado por uma expansão térmica relativa entre o local de montagem do sensor e o veio do rotor, ou por uma expansão térmica excessiva do pedestal que eleva uma única chumaceira (tal como uma fuga de vapor durante o funcionamento).
Quando o rotor parece permanecer elevado após uma paragem, existem provavelmente causas térmicas que criam distorção da caixa ou crescimento excessivo do pedestal, como se pode ver na figura a seguir apresentada.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 12
Isto pode causar alterações no alinhamento de funcionamento e pode apontar para uma fonte de fricções observadas. Quando o rotor parece cair verticalmente, mesmo abaixo da sua posição de arranque a frio, isto deve-se normalmente a um deslocamento relativo dos sensores que estão a ser levantados para cima com a caixa ou o alojamento da chumaceira (ou qualquer componente em que estejam montados) devido à expansão térmica, como se pode ver na figura a seguir apresentada.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 13
Se as trajetórias individuais da linha central do veio parecerem típicas, mas houver uma discrepância vertical muito notória na trajetória da linha do centro do veio, entre chumaceiras vizinhas, isto pode indicar um desalinhamento vertical da chumaceira e um eixo incorreto do trem de rotores. O desalinhamento vertical pode ser verificado através de uma combinação de revisão das temperaturas do metal da chumaceira (quente para uma chumaceira alta e sobrecarregada, e baixa para uma chumaceira sem carga) e das formas da órbita (muito plana ou comprimida se estiver sobrecarregada, ou muito redonda se estiver sem carga).
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Verificações de desalinhamento
Se for indicado um desalinhamento das chumaceiras, a questão que se coloca é se os acoplamentos do rotor estão dentro das tolerâncias e se o próprio trem de rotor está direito, estando apenas as chumaceiras desalinhadas, ou se os acoplamentos estão empenados ou desalinhados, criando um trem de rotor angularmente desalinhado dentro de chumaceiras corretamente alinhadas (ou, por vezes, ambos os problemas estão presentes).
Uma verificação da(s) fonte(s) de desalinhamento pode ser feita com uma avaliação adequada do acoplamento.
Geralmente, um trem de rotor angularmente desalinhado com maus acoplamentos criará uma assinatura que apresentará frequentemente uma localização elevada, embora o veio apresente histerese.
No caso de uma posição de chumaceiras puramente desalinhada, os gráficos de Bode e Polar podem parecer “corretos”, mas haverá um deslocamento horizontal excessivo ou “incorreto” da linha central do veio. Em ambos os casos, é muito difícil resolver esta questão de forma conclusiva apenas com dados dinâmicos.
Além disso, os dados de runout totalmente avaliados também são muito importantes para incluir em tal análise, especialmente as medidas de todas as faces de acoplamento com acoplamentos em mau estado criarão uma assinatura de movimento giratório de excentricidade, e muitas vezes apresentarão amplitudes elevadas em um gráfico de Bode em velocidades mais baixas no local de acoplamento responsável, embora os caminhos da linha central do veio possam parecer “corretos”, embora com histerese presente.
Turbomáquinas e Linha do Centro do Veio – Figura 14 – Equipamento de verificação do alinhamento
