AXILINEEquilibragem de turbinas, turbo-expansores e veios-árvore de alta velocidade no local de funcionamento
Uma turbina ou um veio-árvore não vibra só por desequilíbrio. À tarefa habitual juntam-se aqui as velocidades críticas — a rotação em que o rotor entra em ressonância —, a flexão térmica, as chumaceiras de deslizamento e o regulamento do fabricante, que diz claramente onde se pode colocar massa. Por isso começamos não pelas massas, mas pela medição. Depois do primeiro arranque e da rampa de paragem — a medição durante a desaceleração livre do rotor — dizemos com honestidade se o seu caso se resolve no local ou se o rotor terá de ser retirado.
Sintomas: quando vale a pena ligar
Nos rotores de alta velocidade, a margem entre «subiu um pouco» e a avaria é mais curta do que num ventilador lento: a energia do desequilíbrio cresce com o quadrado da rotação. Não olhe para o número absoluto, mas para a variação. Um veio-árvore que sempre deu 0,6 mm/s e passou a dar 2,0 mm/s merece atenção.
- A vibração subiu uma vez e meia ou mais, à mesma rotação e carga.
- O zumbido aparece numa gama estreita de rotação e desaparece acima dela: parece ressonância.
- O nível sobe à medida que aquece e não volta atrás: é possível haver flexão térmica do veio.
- O veio-árvore começou a deixar ondulação ou marcas de trepidação na peça, com os mesmos regimes de antes.
- Piorou depois de limpar a parte do escoamento, de trocar as pás, o mandril ou o semiacoplamento.
- A monitorização de fábrica regista um aumento da amplitude na frequência de rotação, com os restantes canais estáveis.
Um salto no nível num único arranque costuma ser uma pá perdida ou dobrada, uma massa deslocada, um assentamento desapertado. Não equilibre: a correção vai mascarar o defeito.
Que equipamento desta família aceitamos
A seguir, os subgrupos com que nos procuram mais vezes, e de onde vem o desequilíbrio em cada um.
Rotores de turbinas a vapor
Desequilíbrio por erosão e depósitos nas pás, dobragem de uma pá, desgaste dos vedantes, flexão residual do veio. Massas só nos planos construtivos: ranhuras e anéis de equilibragem, parafusos do semiacoplamento. No local, aceitamos pequenas turbinas de acionamento com rotor rígido, segundo um programa acordado. Rotores multiestágio de grande porte são tarefa de uma secção especializada.
Rotores de turbinas a gás e turbo-expansores
Contaminação e formação de coque na parte do escoamento, erosão, troca de pás, aquecimento desigual. Rotação alta, rotor muitas vezes flexível, apoios em chumaceiras de deslizamento. Começamos pela medição: amplitude e fase de 1× nos apoios, espectro (a distribuição da vibração pelas frequências), rampa de paragem. Equilibramos no local se o rotor se comportar como rígido e houver um plano de correção permitido — um local onde a construção permite colocar massa.
Rodetes de turbinas hidráulicas
Rotação baixa, massas grandes, e a vibração é mais frequentemente hidráulica: frequência de passagem de pás, corda de vórtice, cavitação. Juntam-se o desalinhamento da linha de veios e as folgas na chumaceira-guia. A equilibragem do rodete ajuda numa minoria dos casos. Primeiro separamos as causas; colocamos massa no aro apenas por um método de fixação acordado.
Rotores de turbocompressor
Os rotores de turbinas de sobrealimentação trabalham a dezenas e centenas de milhares de rotações: equilibram-se por componente e num banco de alta velocidade; na máquina, isso não se faz. Os rotores de compressores centrífugos industriais com chumaceiras de deslizamento medimos e trabalhamos segundo o programa do proprietário.
Veios-árvore de alta velocidade e de máquinas-ferramenta
O subgrupo mais produtivo para visitas. Desequilíbrio a partir do mandril e da ferramenta, da placa, do prato, de mossas e de carvão no cone de assentamento. Equilibramos nos próprios apoios, à rotação de serviço, e colocamos a massa em anéis, parafusos ou furos de flange de equilibragem de fábrica.
Rotores de bancos de ensaio e de equipamento tecnológico especial
Veios de aceleração e de acionamento de bancos, rotores de instalações de rodagem, cabeças rotativas de dispersores e misturadores, pratos e ferramentas. Costumam ser rotores rígidos de rotação moderada, e o nosso formato é o que melhor lhes serve: dois ou três arranques, um ou dois planos, protocolo com números.
Rotor rígido ou flexível: a bifurcação principal
Equilibramos pelo método dos coeficientes de influência: colocamos uma massa de prova de massa conhecida e observamos como mudaram a amplitude e a fase. O método exige um sistema estável — a mesma resposta à mesma massa, de arranque para arranque. Um rotor rígido roda abaixo da primeira velocidade crítica, a forma da sua flexão não muda, e a correção encontrada mantém-se.
Acima da primeira crítica, o rotor flete-se, a forma da flexão depende da velocidade, e cada forma de flexão exige a sua própria combinação de massas. Uma massa que elimina a vibração à rotação de serviço pode aumentar a amplitude ao passar pela velocidade crítica. Esses rotores equilibram-se por um esquema modal: vários planos, várias velocidades, medições na aceleração e na rampa de paragem. A rampa de paragem mostra que tipo de rotor tem.
| Rotor | Sinal característico | O que é possível no local |
|---|---|---|
| Rígido, rotação com margem abaixo da primeira crítica | Amplitude e fase de 1× estáveis, a resposta repete-se | Ciclo completo em um ou dois planos, numa só visita |
| Regime próximo da crítica | Perto da rotação de serviço, pico de amplitude, a fase varia | Só em regime estável, fora da zona de ressonância |
| Flexível, acima da primeira crítica | A forma da flexão depende da velocidade | Programa modal: o nosso formato não serve, damos a medição e o parecer |
| Em chumaceiras de deslizamento | O corpo é amortecido pelo filme de óleo | Medições nos apoios mais os canais de fábrica, decisão segundo o programa do proprietário |
| Pequeno rotor de turbocompressor de sobrealimentação | Dezenas e centenas de milhares de rotações | Impossível no local, é preciso um banco de aceleração |
Os locais de instalação das massas são definidos pela construção: ranhuras, anéis, anilhas e parafusos do semiacoplamento, parafusos de fixação. Não se pode soldar massa ao disco nem à pá. Para rotores de comportamento flexível, há uma parte específica da norma sobre procedimentos e tolerâncias; verifique a parte e a edição aplicáveis à sua máquina.
Fontes: ISO 21940-12:2016 · ISO 21940-11:2016
O que verificamos antes de mexer nas massas
A componente síncrona não sobe só por desequilíbrio: também a provocam o desalinhamento, o assentamento desapertado, a flexão térmica, o roçamento no vedante e a instabilidade do filme de óleo. Por isso, o primeiro arranque é sempre de diagnóstico.
As chumaceiras de deslizamento amortecem: o corpo mostra menos do que o veio está realmente a fazer. Por isso colocamos os acelerómetros nos corpos dos apoios, o mais perto possível da junta, e comparamos com os canais de fábrica de deslocamento do veio, se existirem.
- 1× face ao nível global (toda a vibração, em todas as frequências, em conjunto): se 1× representar uma pequena parte, a equilibragem retira pouco.
- Espectro: domina 1×, ou há 2× com vibração axial, um pente de harmónicas, picos subsíncronos.
- Estabilidade da fase de 1× de arranque para arranque: uma fase instável é sinal de ressonância, desaperto ou flexão.
- Rampa de paragem: onde estão as velocidades críticas e se há margem em relação à rotação de serviço.
- Estado térmico: medição com a máquina aquecida e controlo da deriva à medida que aquece.
- Fixação e apoios: aperto dos pés, pé mole (um pé que não assenta bem na estrutura), rigidez da estrutura e da fundação.
- Alinhamento de eixos, estado do acoplamento, assentamento do semiacoplamento, do mandril, da placa no veio.
- No veio-árvore, adicionalmente: cone de assentamento, aperto, equilibragem do mandril porta-ferramenta.
O desalinhamento é a causa da vibração, o alinhamento de eixos é a ação que a elimina. Num grupo composto por turbina, redutor e gerador, a ordem é rígida: fixação, alinhamento de eixos, nova medição — e só depois equilibragem.
Fontes: ISO 13373-3:2015 · ISO 281:2007
Como decorre o trabalho no local
- 01
Acordo do programa antes da visita
Reunimos o tipo de rotor, a rotação, o tipo de rolamentos, o esquema de apoios, os planos de correção permitidos e as condições de acesso. É aqui que dizemos se vamos avançar para a equilibragem ou só medir primeiro.
- 02
Pontos de medição
Limpamos zonas nos corpos das chumaceiras, colocamos dois acelerómetros por íman ou espiga, na direção de maior vibração. Colamos no veio a marca refletora para o sensor de fase a laser.
- 03
Arranque de diagnóstico e rampa de paragem
O Balanset-1A regista o nível global, o 1× com a fase, a rotação, o espectro e o sinal temporal, e depois a rampa de paragem, com registo da amplitude e da fase. É aqui que se decide se avançamos.
- 04
Massa de prova
Colocamos uma massa pesada no plano permitido, num raio conhecido. O arranque é válido se a amplitude de 1× mudou 20–30 % ou a fase 20–30°. Se a resposta for fraca, aumentamos a massa.
- 05
Cálculo e instalação da correção
O programa indica a massa e o ângulo por plano e, no modo de posições fixas, diretamente o número do furo. Nos semiacoplamentos, são anilhas e parafusos de equilibragem; nos veios-árvore, os anéis de fábrica.
- 06
Arranque de verificação
Medição no mesmo regime e nos mesmos pontos. Se o nível baixou mas o objetivo ainda não foi atingido, acrescentamos pequenas massas às já instaladas.
- 07
Protocolo e coeficientes de influência
Registamos os valores de antes e depois nas mesmas condições, guardamos os coeficientes de influência. O próximo acerto dispensa arranques de prova.
Fontes: Manual de operação Balanset-1A
Um plano, dois ou mais
Referência pela forma: com uma razão comprimento/diâmetro abaixo de cerca de 0,5, o rotor comporta-se como um disco, e muitas vezes basta um plano. Um rotor alongado exige dois; caso contrário, fica um desequilíbrio de momento — um par de «pontos pesados» em extremidades diferentes, que abana o rotor.
Nesta família, quase tudo é comprido: o veio da turbina, o rotor do turbo-expansor, o veio-árvore, o veio de acionamento do banco. Um só plano encontra-se em objetos em forma de disco: rodete em consola, prato, cabeça rotativa.
- Dois planos disponíveis num rotor alongado: dois arranques de prova em vez de um.
- Um rotor flexível precisa do seu próprio conjunto de massas para cada forma de flexão: mais de dois planos já é outra tarefa.
- Depois da correção num plano, o nível no segundo apoio fica alto: passamos a dois.
- A rotação de serviço está perto da velocidade crítica: só em regime estável, fora da zona de ressonância.
Cada arranque de prova numa turbina ou num veio-árvore de grande porte custa mais tempo do que num ventilador: são precisos aquecimento, estabilização do regime e rampa de paragem.
O que impede o trabalho e quando o local não resulta
- Rotor flexível acima da primeira crítica: são precisos vários planos, várias velocidades e uma aceleração controlada.
- Pequenos rotores de turbocompressores de sobrealimentação: só equilibragem por componente e banco de alta velocidade.
- Não há um plano de correção permitido, ou o acesso está fechado pelo corpo. Se o corpo for aberto, o rotor equilibra-se fora da máquina.
- Não é possível manter a rotação estável: os coeficientes de influência variam, o resultado não é reprodutível.
- Flexão térmica: a amplitude e a fase de 1× derivam com a rotação constante.
- Roçamento no vedante, fissura no veio, assentamento do rotor desapertado. Isto é reparação, não massas.
- Defeito no rolamento ou instabilidade do filme de óleo: a equilibragem não corrige o rolamento.
- Causas hidráulicas e aerodinâmicas: frequência de passagem de pás, corda de vórtice, cavitação, descolamento do escoamento.
- O regulamento do fabricante proíbe a intervenção sem a sua assistência técnica, ou fora de uma paragem planeada.
A medição também é útil aqui: recebe números, espectro, um diagrama da rampa de paragem e um parecer, com o qual pode recorrer ao fabricante ou avançar para reparação.
O que recebe no final
O resultado não é «ficou mais silencioso», mas números medidos nas mesmas condições, antes e depois.
- Medição antes do trabalho: nível global em mm/s RMS (valor eficaz — a medida padrão do nível de vibração), 1× com a fase em cada apoio, rotação, regime.
- Espectro e sinal temporal, para se perceber o que estava a criar o nível.
- Diagrama da rampa de paragem: posição das velocidades críticas em relação à rotação de serviço.
- Massas, posições angulares e raio das massas instaladas, por plano.
- Medição depois do trabalho, nos mesmos pontos e no mesmo regime, 1× residual face ao valor-alvo.
- Coeficientes de influência guardados e um parecer: o que foi resolvido e o que recomendamos.
«Dentro da tolerância» no programa significa uma única coisa: a 1× residual está abaixo do valor-alvo definido. Não é uma avaliação do estado da máquina pela vibração global, nem um grau de qualidade confirmado em g·mm/kg. Para uma receção, fixe a parte aplicável da norma, os pontos de medição e o regime.
Fontes: ISO 20816-1:2016 · ISO 21940-11:2016
Preço e como encomendar
Somos engenheiros que desenvolvem e fabricam os aparelhos Balanset, e somos nós próprios que equilibramos com eles no local. Temos a base em Vila Nova de Gaia, junto ao Porto, e deslocamo-nos por todo o país.
o diagnóstico vibratório com relatório custa 300 EUR por máquina, a equilibragem acrescenta a partir de 250 EUR, a fatura mínima por visita é de 500 EUR. O total depende do número de rotores e de planos, do tempo gasto nos arranques e da distância ao local. O cálculo exato é feito pela calculadora. Para respondermos com informação útil já no primeiro contacto, indique:
- Tipo e função da máquina, rotação de serviço, potência.
- Tipo de rolamentos e existência de monitorização de fábrica.
- Esquema de apoios: entre apoios ou em consola, número de estágios.
- Que planos de correção estão autorizados pela documentação e são acessíveis sem desmontagem.
- Valores de vibração atuais e a partir de quando o nível subiu.
- Se é possível controlar a rotação, mais fotografias dos apoios, do acoplamento e da zona de instalação das massas.
Sobre a preparação do local para a visita, a escolha entre o trabalho no local e uma bancada em oficina, a equilibragem de acerto trim (um afinamento rápido a partir dos coeficientes guardados) e o regresso da vibração, leia os artigos correspondentes desta secção.
Fontes: Especificações do fabricante Balanset-1A
Perguntas frequentes
É possível equilibrar o rotor de uma turbina sem o retirar?
Às vezes, sim. São precisas três condições: comportamento rígido do rotor à rotação de serviço, um plano de correção autorizado pela documentação e acessível, um regime reprodutível em vários arranques. Se faltar pelo menos uma destas condições, o trabalho no local não dá resultado.
Por que razão, perto da velocidade crítica, não se pode equilibrar como habitualmente?
Aí, a frequência de rotação coincide com a frequência própria da construção: a amplitude sobe bruscamente, e a fase de 1× inverte-se em cerca de 180°. A resposta à massa de prova torna-se instável. Por isso registamos a rampa de paragem e equilibramos com margem em relação à velocidade crítica.
O rotor está em chumaceiras de deslizamento. O acelerómetro no corpo mostra alguma coisa?
Mostra, mas com uma ressalva: o filme de óleo amortece, e o corpo transmite menos do que o veio está realmente a fazer. Para a equilibragem, isso costuma bastar: precisamos das mudanças de amplitude e fase de 1× entre arranques. Avaliamos o estado da máquina tendo em conta os canais de fábrica de deslocamento do veio.
O veio-árvore começou a fazer ruído depois de trocar o mandril. Equilibra-se o veio-árvore ou o mandril?
Primeiro o mandril e todo o conjunto de ferramenta. O conjunto muda de operação para operação, e uma equilibragem do veio-árvore feita para uma só ferramenta desfaz-se na próxima troca de conjunto. Verifique o cone de assentamento e o aperto: uma mossa ou carvão dão um batimento que a massa não elimina.
A vibração muda à medida que aquece. É desequilíbrio?
Provavelmente não. A deriva da amplitude e da fase de 1× com a rotação constante e a temperatura a subir é sinal de flexão térmica do veio ou de roçamento no vedante. A equilibragem fixaria um estado térmico e pioraria outro. Por isso, primeiro fazemos uma série de medições à medida que a máquina aquece.
O que acontece se a equilibragem não ajudar?
Não a começamos. Se o nível não vier do desequilíbrio, ou se o rotor exigir condições especializadas, recebe as medições, o espectro, o diagrama da rampa de paragem e um parecer com recomendação. o diagnóstico vibratório com relatório custa 300 EUR por máquina, a equilibragem acrescenta a partir de 250 EUR, a fatura mínima por visita é de 500 EUR.
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Sim, mas não equilibramos o próprio conjunto do fuso, mas sim aquilo que roda nele: o conjunto de ferramenta — a bucha, a pinça ou o mandril, junto com a ferramenta de corte —, bem como os anéis de equilibragem de origem do fuso, se a fábrica os previu. Colocamos dois acelerómetros (sensores de vibração) na carcaça do cabeçote do fuso, na radial, junto ao apoio dianteiro e ao traseiro, e apontamos o sensor de fase a laser para a marca refletora no fuso ou no flange da bucha. Fazemos o ciclo completo com avaliação do nível total até cerca de 12 000 rpm: o aparelho calcula o valor RMS da velocidade de vibração (o nível quadrático médio de vibração) na faixa de 5–200 Hz, e 200 Hz são exatamente 12 000 rpm. Acima deste limite, temos duas opções honestas. A primeira: equilibramos o conjunto rígido a uma frequência de rotação reduzida e estável, e controlamos o resultado às rotações de trabalho pela componente de rotação (a vibração na frequência de rotação, designada 1x) e pelo espectro. A segunda: enviamos a bucha para uma máquina especializada em conjuntos de ferramenta. Na carcaça do fuso, nos rolamentos e na sua pré-carga, nunca intervimos: é trabalho da assistência do fabricante, não do equilibrador.
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