Rotortest 

Autores da Publicação: Jonas Valani Stein e Thales Freitas Peixoto  

O Rotortest é uma ferramenta para estudos computacionais do comportamento dinâmico de  rotores, sendo possível também avaliar diferentes componentes do rotor. Partindo de dados dos  componentes e seus parâmetros operacionais, é gerado um modelo no programa por onde é  possível simular o comportamento dos rotores e a influência desses componentes na dinâmica  do sistema rotativo. 

Mancais

São componentes de máquinas rotativas que suportam os eixos do rotor de forma a  permitir o movimento de giro sem que haja perdas excessivas devido ao contato entre  o eixo e a estrutura. 

• Mancais hidrodinâmicos

Muito comuns principalmente em turbomáquinas por permitirem trabalhos a  altas velocidades e com cargas elevadas. Garante uma longa vida operacional do  equipamento em condições normais, uma vez que o atrito entre o rotor e  mancal é reduzido a quase zero (Rio). Uma película de óleo lubrificante impede  o contato entre o eixo e as paredes do mancal, além de garantir a sustentação  do eixo por meio de forças hidrodinâmicas. 

• Mancais de Rolamento

Aplicados em uma ampla gama de máquinas rotativas, de pequeno, médio e até  grande porte. Trata-se de uma estrutura fixa para o suporte de rolamentos, que  são os responsáveis pela interação com o eixo do rotor, possibilitando o giro  (Paulo, 2023). 

• Selos mecânicos 

São componentes essenciais para um funcionamento eficiente de uma ampla gama de máquinas  rotativas. Devido a essa relevância, existem diversos modelos de selos, adequados para cada  operação. Junto dessa variedade, existem também diversos parâmetros que regem seu  funcionamento, demandando muitos estudos teóricos, computacionais e experimentais. 

Sistemas rotativos podem ser modelados e analisados pelo Rotortest

• Bombas Hidráulicas 

Máquinas de fluxo que realizam o deslocamento de fluidos, amplamente usadas  na indústria. Possuem um eixo que gira a altas velocidades gerando um  gradiente de pressão responsável pelo deslocamento do fluido. Esse eixo é  suportado por mancais, e para evitar vazamentos, também faz uso de selos  mecânicos. 

• Redutores

São componentes mecânicos cujo objetivo é converter velocidade de giro em  torque. Os eixos de transmissão devem estar apoiados em mancais para  poderem operar. As engrenagens operam submersas em óleo lubrificante, portanto, muitos modelos precisam de selos mecânicos para evitar vazamentos  e entrada de impurezas.

• Compressores

Compressores são máquinas cuja função é elevar a pressão de um fluido gasoso.  Possuem diversas aplicações, como o fornecimento de ar comprimido para o  acionamento de válvulas ou compressão de gases de ciclos de refrigeração.  Existem diversos modelos e meios para realizar a compressão, mas em sua  maioria são utilizados rotores e seus componentes.  

• Turbinas

Turbinas operam a temperaturas e velocidades elevadas. Os mancais, que  suportam o eixo do rotor, devem operar de forma a minimizar ao máximo  possível a perda de eficiência da turbina devido ao atrito. Turbinas com  múltiplos estágios de compressão, além dos selos convencionais, contam com  selos entre os estágios que reduzem a perda de pressão. 

• Estudo de Caso: Resposta ao Desbalanceamento de uma Turbina Multi-Estágios 

Uma turbina multi-estágios de aproximadamente 2.5 m de comprimento e 1840 kg é mostrada  na figura abaixo. O modelo por elementos finitos do eixo principal da turbina é composto por  26 elementos de viga e 4 elementos de disco rígido, representando a inércia equivalente das  pás da turbina. 

A turbina é suportada por mancais segmentadas de sapatas oscilantes e contém selos de fluxo  para impedir vazamento do fluido de trabalho em cada estágio da turbina. A figura abaixo  apresenta os modelos de cada componente do sistema rotativo.

O procedimento de análise permite estimar a carga nos mancais, necessário para determinar  seus coeficientes equivalentes, para analisar a estabilidade do sistema rotativo. 

O diagrama de Campbell mostrado abaixo ilustra a variação das frequências naturais  amortecidas da turbina analisada em função da velocidade de rotação. A análise também  permite estimar os modos de vibrar do sistema. 

Figura 15: Modos de vibrar a 10.000 rpm 

É possível também investigar a resposta ao desbalanceamento do sistema. O gráfico abaixo  mostra a amplitude de oscilação na direção vertical de alguns nós selecionados do rotor. Verifica-se que a amplitude de oscilação é máxima na velocidade de rotação de 9600 rpm – é  desejável operar a turbina numa velocidade de rotação diferente dessa velocidade crítica.

Figura 16: Resposta ao desbalanceamento: amplitude do deslocamento vertical  em função da rotação.

Estudo de caso: análise de estabilidade aerodinâmica de um compressor

Um compressor de 2.3 m de comprimento e 1400 kg é mostrada na figura abaixo. O modelo  por elementos finitos do eixo é composto por 23 elementos de viga. A imagem mostra ainda os  dois mancais hidrodinâmicos (em azul) que suportam o compressor e a localização dos selos de  fluxo (em verde). 

A análise de estabilidade aerodinâmica investiga a resposta dinâmica do sistema, devido ao  fluxo centrífugo do fluido de trabalho nos estágios do compressor (onde os selos de fluxo  foram considerados). A análise de estabilidade também investiga as respostas para as condições nominais (nom) de folga do mancal e para os limites permitidos das tolerâncias,  considerando a folga máxima (max) e mínima (min). A figura abaixo mostra o decremento  logarítmico do primeiro modo do rotor, em função da rigidez (aerodinâmica). As três curvas  mostram o decremento logarítmico na condição de folga nominal dos mancais, bem como nas  condições de folga mínima e máxima.

O sistema pode ser considerado estável (ou não) de acordo com a norma da API, avaliando o  decremento logarítmico. A janela de saída informa de maneira simples o resultado da análise  de estabilidade, mostrado abaixo. 

Figura 19: Janela de saída - critério de estabilidade nível 1.

Referências 

CWS, A. (2023). Fabricação de Mancais Din. Fonte: White Metal:  

https://www.whitemetalmancais.com.br/fabricacao-de-mancais-din/ 

Industria, F. (2023). PLS e SPLS Selo Labirinto. Fonte: Fieza Soluções Industriais:  https://fieza.ind.br/product/pls-e-spls-selo-labirinto-solido-ou-partido/ 

Industrial, M. (2023). Tipos de bombas hidráulicas. Fonte: Mecânica Industrial :  https://www.mecanicaindustrial.com.br/135-tipos-de-bombas-hidraulicas/ 

Monferrato. (2023). O que são mancais e os seus tipos?  Fonte: Monferrato :  https://monferrato.com.br/o-que-sao- mancais-e-os-seus- tipos/ 

Niza, E. M. (31 de 08 de 2021). 6 Dicas de como escolher o mancal correto para o seu  rolamento.  Fonte: ABECOM: abecom.com.br/como-escolher-mancal-para-rolamento/

Paulo, E. P. (2023). PMR3320 – Introdução aos Elementos de Máquinas - Aula 6. Em P. Ronaldo.  São  Paulo - SP. 

Rio, P. (s.d.). Os Mancais Hidrodinâmicos. Em Dinâmica de Máquinas Rotativas em Mancais   Hidrodinâmicos. Rio de Janeiro - RJ. 

SELOS, U. (2023). Selos Mecânicos. Fonte: ULTRASEAL Selos Mecânicos:  https://www.ultraseal.com.br/produtos/selos-mecanicos/ 

Turbos, B. (2019). Conheça os diferenciais dos turbos da Linha Diesel Pesada. Fonte: Biagio  Turbos  Diesel: https://www.biagioturbos.com/br/linha_diesel_pesada.asp