P ROJETO DA DINÂMICA DO ROTOR

Através dos conceitos apresentados pela teoria de Timoshenko serão avaliados estudos sobre a resposta em freqüência do rotor, diagrama de Campbell e finalmente o comportamento da órbita sob as superfícies dos mancais. Através do diagrama de Campbell, pode-se monitorar as variações das freqüências naturais ( modos do sistema ) de acordo com a velocidade do rotor e graficamente identificar em quais momentos os modos

72 de vibração poderão entrar em ressonância com a velocidade rotacional da máquina.

Com o auxílio de uma ferramenta computacional disponível no sítio da Mathworks [9] determinaram-se as partes que trariam maior influência na dinâmica com base no desenho final do sólido do rotor. O resultado da resposta em freqüência pode ser observado na figura abaixo assim como a diferença de comportamento em diferentes pontos do rotor. Tal ferramenta computacional permite determinar as frequências naturais do rotor, bem como monitorar suas variações de acordo com a velocidade (Diagrama de Campbell). Também é possibilitada uma análise de resposta em frequência em todo o comprimento do rotor, bem como a determinação da órbita de giro em qualaquer ponto contido neste comprimento.

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Figura 34 – Diagrama carpete tubina modelo NG - MB 630.

Tratando-se de um eixo apoiado sobre dois mancais, os resultados mostram-se correspondentes ao esperado para uma deflexão maior acontecendo entre o dois apoios (setas determinam as posições dos mancais ao longo do eixo), com segundo local de máximo nas regiões de início e término do eixo. Nas proximidades dos mancais nota-se uma sustentação do perfil devido ao efeito de amortecimento introduzida pelas contates do apoio.

Apesar de tal simulação desconsiderar o efeito do filme de óleo proveniente do sistema de lubrificação forçada, eventuais efeitos resultantes do vapor e erros de máquinas operatrizes em fábrica, o resultado serve de base para a localização das freqüências críticas do eixo na condição de aquecimento da turbina e eventuais mudanças na distância

74 entre mancais para se evitar uma região de operação próxima a alguma freqüência natural.

Tais freqüências críticas sofrem influência da velocidade e podem ser ter seu comportamento analisado pelo diagrama de Campbell na Figura 35.

Figura 35 – Diagrama de Campbell para um determinado nó e gráfico de resposta em freqüência.

75 Com base na Figura 35 procura-se propor um procedimento de partida do conjunto (metodologia para se acelerar a máquina do repouso à velocidade nominal) e conseqüente início de excitação até se obter condições de paralelismo favoráveis ao sistema.

Neste estudo de caso em particular, apenas duas freqüências obtiveram níveis de máximo dentro da faixa de operação padrão do eixo. As freqüências de módulos superiores a este por jamais serem atingíveis operacionalmente serão desconsideradas nesta análise.

Embora uma das freqüências críticas tenha se localizado dentro dos limites de operação deste modelo de turbina ( rotação nominal de projeto de 6500 RPM ), os valores de amplitude obtidos do diagrama carpete entre as ordens de 10−9

e 10−8

( módulos )são considerados aceitáveis para esta concepção de projeto com base em fatos históricos de experiências anteriores ( utilizado-se o mesmo método porém para rotores com distâncias entre centros de mancais maiores, atingiu-se valores de máximo de ordem 10−6

(módulo).

Sendo assim, estabeleceram-se rotinas de aceleração do eixo e aumento de excitação, as quais respeitariam a dinâmica da turbina evitando-se manter o equipamento sobre condições de vibração excessiva ou efeitos torcionais acima do especificado para os acoplamentos.

O efeito da vibração do conjunto pode sofrer influências com base em diferentes origens, entre elas: palhetas (vibrações axiais, radiais, torcionais e combinações por excitação nos bocais fixos), folgas dos mancais, desalinhamento dos

76 equipamentos (turbina, redutor e gerador), base civil, outras máquinas próximas, enfim, vários efeitos podem vir a agravar o nível de vibração de cada equipamento.

No entanto, apenas dois efeitos serão analisados que poderiam se relacionar com os conceitos abordados nesta dissertação. A órbita do rotor pode ser utilizada na determinação da folga (distância a ser deixada entre o eixo e o suporte que permitirá seu apoio durante a rotação) máxima ou mínima de um mancal. A não consideração do alinhamento natural entre os equipamentos na condição de operação, sendo estes deslocados na condição a frio também introduzem níveis satisfatórios de ruído ao sistema. Ao avaliar a posição de um dos nós do rotor durante sua operação, chegou-se a um perfil elíptico conforme apresentado pela figura 36. Com o aumento da velocidade, desbalanços no rotor, toques entre partes girantes e estáticas, enfim, qualquer ocorrência não natural durante o funcionamento do equipamento, está órbita poderá ter seu perfil alterado.

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Figura 36 – Órbita do eixo sobre o mancal traseiro.

Com finalidade de monitoramento, utilizam-se sensores de vibração são do tipo indutivo ( sem contato ), localizados distantes 90 graus entre si em cada mancal em uma escala de sinal que varia de -2 a -18 volts para folgas entre 0,25 e 2,30 mm. Para sua inserção, as caixas de mancais devem prever encaixe, bem como a localização de leitura nas superfícies do eixo sofrerem um acabamento diferenciado. Os níveis de tensão elétrica do transdutor pode ser fundamentais no diagnóstico de queima de mancais com o aumento da tensão no decorrer do tempo (folga eventualmente pode aumentar com a queima de um mancal alterando a diferença de potencial inicialmente configurada), ou ainda avaliar se alguma mudança abrupta no perfil da órbita do sólido poderá comprometer a integridade do conjunto e assim executar uma parada de emergência porr proteção.

78 Uma má determinação de folgas para um mancal pode comprometer consideravelmente a vida útil do componente. Folgas (entre a superfície do mancal e o rotor) muito pequenas dificultam a entrada do óleo e sofrem com o efeito de lubrificação e refrigeração não tão efetiva. Todavia, folgas demasiadas podem ocasionar efeitos de vibração em níveis indesejados de operação.