EU. Tipos comuns de Máquinas Rotativas
A maioria das máquinas incorpora componentes rotativos.
Máquinas rotativas referem-se às máquinas cuja função principal é cumprida através do movimento rotacional, particularmente aquelas máquinas nas quais os componentes principais giram em altas velocidades.
Os tipos de máquinas rotativas são diversos e incluem turbinas a vapor, turbinas a gás, compressores centrífugos, geradores, bombas, turbinas hidráulicas, ventiladores e motores elétricos.
Os principais componentes dessas máquinas consistem em rotores, sistemas de rolamentos, estatores e carcaças de unidades, bem como acoplamentos.
A velocidade de rotação destas máquinas pode variar de algumas dezenas a várias centenas de milhares de rotações por minuto. Alguns exemplos de máquinas rotativas típicas são descritos abaixo.
1. Turbina a vapor
Uma turbina a vapor é uma máquina rotativa que converte a energia do vapor em trabalho mecânico, também conhecida como rotor a vapor.
É usado principalmente como motor principal para geração de energia, mas também pode acionar diretamente várias bombas, ventiladores, compressores e hélices de navios.
Além disso, a exaustão ou extração intermediária de uma turbina a vapor pode ser utilizada para atender às necessidades de aquecimento tanto em ambientes industriais quanto domésticos.
2. Compressor Centrífugo
Um compressor centrífugo funciona transferindo energia para um gás através de um rotor, aumentando assim sua pressão.
Pode consistir em um único ou vários estágios. Este tipo de compressor se enquadra na categoria de compressores de lâminas rotativas, também conhecidos como turbocompressores.
Dentro do compressor centrífugo, a rotação em alta velocidade do rotor exerce uma força centrífuga sobre o gás, e a expansão no canal difusor aumenta ainda mais a pressão do gás.
3. Gerador elétrico
Um gerador elétrico é um dispositivo mecânico que converte várias formas de energia em energia elétrica.
Originado durante a Segunda Revolução Industrial, foi desenvolvido pela primeira vez pelo engenheiro alemão Siemens em 1866.
Alimentados por turbinas hidráulicas, turbinas a vapor, motores a diesel ou outros dispositivos mecânicos, os geradores transformam a energia gerada pelo fluxo de água, fluxo de ar, combustão de combustível ou fissão nuclear em energia mecânica.
Essa energia mecânica é então convertida em energia elétrica pelo gerador. Os geradores têm uma ampla gama de aplicações na produção industrial e agrícola, defesa, tecnologia e na vida cotidiana.
4. Bomba de água
Uma bomba d'água é um dispositivo mecânico projetado para transportar ou pressurizar líquidos.
Transfere a energia mecânica do motor principal ou outras fontes externas de energia para o líquido, aumentando a sua energia.
É usado principalmente para transportar vários líquidos, incluindo água, óleo, soluções ácido-base, emulsões, suspensões e metais líquidos.
A bomba também pode lidar com misturas de líquidos e gases, bem como líquidos contendo sólidos em suspensão.
5. Fãs
Um ventilador é um dispositivo mecânico que depende da entrada de energia mecânica para aumentar a pressão do gás e expeli-lo.
É um tipo de maquinaria fluida acionada, com pressão de exaustão inferior a 1,5×105Pa. Os ventiladores são amplamente utilizados para ventilação, extração de poeira e resfriamento em fábricas, minas, túneis, torres de resfriamento, veículos, navios e edifícios.
Também são utilizados para ventilação e extração de ar em caldeiras e fornos industriais, para resfriamento e ventilação em aparelhos de ar condicionado e eletrodomésticos, para secagem e seleção de grãos, bem como para fluxo de ar em túnel de vento e inflação e propulsão de hovercrafts.
6. Motor Elétrico
O motor elétrico é um dispositivo que converte energia elétrica em energia mecânica. Ele foi projetado com base no fenômeno de uma bobina eletrificada girando sob a força de um campo magnético.
Dependendo da fonte de energia utilizada, os motores são categorizados em motores de corrente contínua e motores de corrente alternada.
A maioria dos motores em sistemas de potência são motores de corrente alternada, que podem ser síncronos ou assíncronos. O motor elétrico consiste principalmente em um estator e um rotor.
A direção da força exercida no fio eletrificado no campo magnético está relacionada à direção da corrente e às linhas do campo magnético.
O princípio de funcionamento de um motor elétrico é a força exercida pelo campo magnético sobre a corrente, fazendo com que o motor gire.
II. Classificação de vibração de máquinas rotacionais
A função principal da maquinaria rotativa é realizada pelos seus componentes rotativos, sendo o rotor o mais crucial.
O principal indicador de mau funcionamento em máquinas rotativas é vibração e ruído anormais. Os sinais de vibração, refletidos na amplitude, frequência e domínio do tempo, iluminam as informações de falha da máquina.
Assim, compreender os mecanismos de vibração das máquinas rotacionais sob condições de mau funcionamento é fundamental para monitorar o status operacional e melhorar a precisão do diagnóstico de falhas.
As vibrações em máquinas rotacionais podem ser categorizadas em três tipos com base na natureza da vibração mecânica.
1. Vibração Forçada
A vibração forçada, também conhecida como vibração síncrona, é um tipo de vibração causada por forças de excitação externa contínuas e periódicas.
A vibração forçada adquire constantemente energia do ambiente externo para compensar a energia consumida pelo amortecimento, mantendo uma amplitude consistente de vibração dentro do sistema.
Esta vibração, por sua vez, não impacta a força perturbadora. As principais causas de vibração forçada incluem desequilíbrio de massa do rotor, acoplamentos desalinhados, atrito estático no rotor, peças mecânicas soltas e danos aos componentes ou rolamentos do rotor.
A frequência característica da vibração forçada é sempre igual à frequência da força perturbadora.
Por exemplo, a vibração forçada causada pelo desequilíbrio da massa do rotor tem uma frequência de vibração que é sempre igual à frequência da velocidade de rotação.
2. Vibração autoexcitada
A vibração autoexcitada refere-se à vibração causada por forças alternadas geradas pelo movimento interno da máquina durante a operação. Assim que a vibração cessa, a força alternada desaparece naturalmente.
A frequência da vibração autoexcitada é a frequência natural (ou crítica) da máquina, independentemente da frequência de excitação externa.
O turbilhão de óleo e a oscilação da película de óleo são tipos comuns de vibração autoexcitada em máquinas rotativas, causadas principalmente pela resistência interna do rotor e pelo atrito entre componentes estáticos e dinâmicos.
Comparada à vibração forçada, a vibração autoexcitada ocorre de forma mais repentina, com intensidades de vibração mais severas, causando sérios danos à máquina em um curto período.
3. Vibração forçada não constante
A vibração forçada não constante é um tipo de vibração forçada causada por perturbações externas.
Caracteristicamente, partilha a mesma frequência da perturbação; a própria vibração influencia reciprocamente a magnitude e a fase da perturbação. Tanto a amplitude quanto a fase da vibração variam.
Por exemplo, se ocorrer deformação térmica irregular em uma determinada parte do eixo do rotor, isso equivale à adição de uma massa desequilibrada ao rotor, causando alterações na amplitude e na fase da vibração.
Por outro lado, estas mudanças na amplitude e na fase afetam a magnitude e a localização da deformação térmica irregular, fazendo com que a vibração forçada varie continuamente.
