Processo de balanceamento em alta rotação e a caracterização de rotores rígidos e flexíveis.

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1 Processo de balanceamento em alta rotação e a caracterização de rotores rígidos e flexíveis. Rafael Bittencourt Ferreira (Siemens) rafael.bittencourt@siemens.com Letícia Salvador Pais (Siemens) leticia.pais@siemens.com Resumo Essencialmente o balanceamento em alta rotação prevê assegurar os níveis de vibração síncrona desde rotações muito baixas até a rotação nominal de trabalho do rotor, incluindo as velocidades críticas pelas quais o rotor eventualmente atravesse e, para que isso ocorra, um novo conceito de máquina de balancear foi necessário em comparação às máquinas tradicionais, que usualmente utilizam o apoio por roletes e acionamento por correia. Os equipamentos de balanceamento em alta rotação, também conhecidos como bunkers, necessitam de uma grande estrutura de acessórios: sistema hidráulico para alimentar os mancais, proteção física de concreto contra explosão, ambiente de vácuo para que o atrito com o ar não cause a queima do rotor e estruturas internas e sistema de aquisição e processamento de sinais para avaliar as vibrações de eixo e carcaça durante o teste. Dessa forma, esse artigo descreve os motivos que justificam o balanceamento em alta rotação abordando oos conceitos aceitos na literatura e as experiências obtidas em diversos casos de balancemento de rotores rígidos e flexíveis. Também é abordada a forma como o balanceamento deve ser realizado em cada caso, tanto na metodologia em que os cálculos são feitos para atingir o resultado esperado quanto na necessidade de equipamentos para cada método. Como resultado prático. 1.Introdução Balancear rotores em baixa rotação é uma prática muito conhecida e comumente executada para a maioria dos tipos de rotores, especialmente com rotação baixas (inferiores a 2000 rpm), contudo, não é incomum verificar que mesmo atingindo os níveis de balanceamento exigidos pela norma ISO 1940 um rotor apresente vibrações insatisfatórias durante partidas ou até mesmo em sua rotação de trabalho. Nesse caso, para atingir valores baixos de amplitude dinâmica durante sua vida seria necessário o balanceamento em rotação de trabalho após um teste de overspeed (teste em rotação igual ou superior a de trip), é nesse momento que o processo de balanceamento em alta rotação (High Speed Balancing) apresenta os meios para atingirmos valores de vibração totamente seguras e que não dependam se o rotor é flexível ou se ele comporta-se como corpo rígido. O High Speed Balancing (HSB) é uma realidade disponível há várias décadas na Europa e América do Norte, porém, muito recente na América do Sul, sendo que a Siemens é a única empresa que realiza esse serviço. Esse tipo de balanceamento é tecnicamente muito diferente daquele realizado em baixa rotação em máquinas de balancear universais por diversos motivos. Fisicamente o rotor é montado sobre seus mancais hidrodinâmicos originais ou similares, e por isso necessitam de sistema hidráulico equivalente ao que temos em turbinas ou compressores, assegurando dessa forma o comportamento dinâmico similar ao da máquina, e todo esse conjunto é instalado, por sua vez, 2

2 sobre pedestais especiais ajustáveis fixados na base do equipamento com rigidez estrutural conhecida e variável. Figura 1 - Balanceadora de alta rotação (HSB) - Siemens Jundiaí Também são necessários adaptadores e selos de óleo que permitam aos diferentes tamanhos de rotores e mancais a possibilidade de adaptação ao equipamento, e isso dentro dos limites máximos do sistema. Outro ponto a considerar é que o balanceamento em alta rotação é essencialmente baseado no método dos coeficientes de influência por pesos teste para calcular a correção de massa e esse procedimento é iterativo dependendo de um algorítmo para realizar os cálculos. Figura 2 a) Túnel da balanceadora HSB b) Rotor de compressor sendo balanceado 3

3 Por fim, há a possibilidade de análises adicionais sobre a situação do conjunto rotor-mancal com o HSB, são exemplos, nesse caso, o overspeed test, que é o teste com rotações acima da velocidade de alarme (trip) por determinado período de tempo, ou ainda o teste de desbalanceamento previsto pela API para validar o modelo computacional de projeto do conjunto rotor-mancal e finalmente o diagnóstico de comportamento dinâmico utilizando diagrama Bode, Nyquist, Orbita e Cascata, que auxiliam muito na identificação de anomalias, tendências e parâmetros operacionais. Todas essas peculiaridades tornam esse processo muito mais complexo, efetivo e com fortes garantias sobre o desempenho do equipamento comparado ao balanceamento em baixa rotação, que avalia apenas os valores de desbalanceamento grama-milímetro, além da incontestável limitação de análise, pois durante o LSB observamos os resultados apenas em condição subcrítica. Saber o que ocorre previamente com o rotor e mancais em toda a faixa de rotação pela qual eles irão passar só é possível utilizando o processo de balanceamento em alta rotação e isso é uma grande vantagem, pois saberemos como o rotor irá partir e se comportar após a entrada em operação pelo equipamento. Evidentemente, nem todos os rotores precisam passar pelo High Speed Balancing HSB, e saber se um rotor é considerado flexível ou rígido é o fator que determina se precisamos do balanceamento em alta ou baixa rotação. 2. Caracterização de rotores rígidos e flexíveis Determinar a necessidade do balanceamento em alta rotação HSB não é tarefa trivial, e muitas dúvidas existem sobre sua real necessidade. O mais correto para esse tipo de dúvida é consultar o fabricante e seguir as instruções de balanceamento determinadas para aquele equipamento ou realizar um estudo de dinâmica de rotores sobre o conjunto rotor-mancal-fundação. Também existem duas regras símples que podem ajudar na decisão de como caracterizar o rotor sobre ser rígido ou flexível. Figura 3 - Exemplo de análise sobre variação no desbalanceamento de rotores. 4

4 [%] = 100 Sendo: Desbalanceamento relativo Desbalanceamento máximo observado Desbalanceamento inicial (medido na velocidade de balanceamento em baixa rotação). A primeira, e mais simples, considera que rotores com variação superior a 2% no valor de desbalanceamento (U r > 2%) ao longo de toda a sua faixa de operação podem ser considerados flexíveis e deveriam ser balanceados em processo HSB. A segunda regra sugerida está relacionada com a primeira velocidade crítica do rotor, nesse caso, rotores que operam em até 70% de sua velocidade crítica podem ser considerados rígidos e para valores superiores, devemos realizar o balanceamento em alta rotação. Nos dois casos, um estudo de dinâmica de rotores é a melhor forma para estimar os 2% ou os 70% e a partir dai realizar o High Speed Balancing ou o Low Speed Balancing. Figura 4 - Consideração sobre a porcentagem da velocidade crítica. 3. Descrição do processo de balanceamento em alta rotação O High Speed Balancing (HSB) é realizado em equipamento especial para simular as condições dinâmicas do conjunto rotor-mancal com o rotor frio (sem vapor ou gases) dentro de um túnel feito com paredes espessas de aço e concreto (aprox. 1,5 m) e em ambiente de vácuo (<20 mbar). A grande resistência mecânica da parede do túnel garante operar rotores com dezenas de toneladas em suas rotações operacionais sem o risco de acidentes externos, já o vácuo permite a utilização de um motor de acionamento com potência reduzida, pois não temos a resistência do ar, além de anularmos efeitos aerodinâmicos que causam vibração e especialmente o fenômeno 5

5 de burn, que é o aquecimento da palheta por atrito (elevada velocidade tangencial) com a posterior queima do rotor. Os sensores de vibração utilizados são baseados nas mesmas condições encontradas em campo, são sensores de proximidade para a vibração relativa do rotor e sensores sísmicos para a vibração absoluta da caixa de mancal, que em nosso caso será o pedestal da máquina que está fixado na base da mesma. O sistema de aquisição e tratamento de sinal é dedicado e permite avaliar as diferentes harmônicas de um sinal, dessa forma, além de realizar o balanceamento (primeira harmônica) podemos também avaliar outras causas de vibração, tais como instabilidades de mancal, batimento, desalinhamentos, etc. Figura 5 - Fluxograma do processo de balanceamento HSB 6

6 Figura 6 - a) Sensor de proximidade b) Sensor sísmico Operacionalmente, o processo de HSB inicia-se com a montagem do rotor e mancais na máquina de balancear, nessa fase é praticamente inevitável a não utilização de adaptadores que permitam a montagem de diferentes mancais e rotores nos pedestais e eixo de transmissão. Todos esses dispositivos adicionais são projetados para não influenciar nas medições de vibração. Figura 7 - Esquema de montagem dos sensores de vibração. O processo de balanceamento em alta rotação é baseado no método dos coeficientes de influência, esse método matemático é iterativo e utiliza pesos teste para criar uma variação conhecida de desbalanceamento no rotor, e que por sua vez causam mudanças nos níveis de vibração, amplitude e fase. Essas medições são montadas em matrizes que geram um sistema 7

7 linear. A solução do sistema por um método numérico permite determinar a combinação de pesos que adicionada ou retirada do rotor permitam minimizar os níveis de desbalanceamento. Se mesmo ao final do teste não atingirmos os valores desejados, podemos repetir o processo e para obter melhores resultados. Figura 8 - Sala de controle e sistemas de aquisição de sinal e análise. A análise dos resultados referentes ao HSB está baseada em dois tipos de gráfico: Bode e Nyquist, e em ambos podemos acompanhar a evolução da amplitude e fase das vibrações em primeira harmônica (que é referente ao desbalanceamento). A influência de cada plano de balanceamento é distinta para cada rotor e para cada velocidade crítica, portanto, saber interpretar os resultados é fundamental para atingir os valores desejados. As normas internacionais mais aplicadas para o balanceamento são as publicadas pela ISO (International Standard Organization) e API (American Petroleum Institute) e cada uma atribui valores diferentes, porém próximos, e em ambas o critério é baseado na massa e rotação do equipamento onde se avalia basicamente as amplitudes de deslocamento do eixo (medidos em microns pico a pico) e as amplitudes de vibração sísmica dos alojamentos de mancal (medidos em milimetros por segundo rms root mean square). 4. Conclusão Estimar se um rotor é rígido ou flexível dependerá sempre de uma análise de dinâmica de rotor ou até mesmo um teste em balanceadora de alta rotação (HSB). Ao optarmos pelo balanceamento em alta rotação certamente teremos resultados muito mais confiáveis comparativamente ao balanceamento em baixa rotação, uma vez qu será simulado o mesmo comportamento atingido pela turbomáquina em operação. Isso garantirá passagens seguras pelas velocidades críticas, o conhecimento da real situação dos mancais, a distribuição de massa mais adequada para minimizar o desbalanceamento residual, além de garantias que serviços como reparos em fitas ou palhetas não danifiquem o restante da máquina, uma vez que já teremos atingido níveis de tensão próximos aos que ocorrerão em operação real devido as elevadas rotações atingidas no HSB. 8

8 5. Referências Bibliográficas 9º Fórum de Turbomáquinas Petrobras 1. Ehrich, Robert. High Speed Balance Procedure, Proceedings of the Ninth Turbomachinery Symposium 2. Maxwell, A. S.; Sanderson, A. F. P. Site Balancing of a Large Flexible Rotor Containing Unbalance Eccentricity and Permanent Residual Bow 3. Smalley, A.J; Tessarzik, J. M.; Rio, R. A. Balancing Techniques for High-Speed Flexible Rotors, NASA Contractor Report Ferreira, Janito Vaqueiro. Balanceamento de Rotores Flexívei. Tese (Mestrado)- Universidade Estadual de Campinas. Campinas Facilities Instruction, Standards, & Techniques Volume 2-2. Engineering Division, Facilities Engineering Branch, Denver Office, Denver, Colorado, Balance quality of rotating rigid bodies, International Standard ISO Tutorial on the API Standard Paragraphs Covering Rotor Dynamics and Balancing: An Introduction to Lateral Critical and Train Torsional Analysis and Rotor Balancing API 684, American Petroleum Institute, First Edition,