The Thermal Unbalance Effect Induced by a Journal Bearing in Rigid and Flexible Rotors: Experimental Analysis

Este trabalho apresenta uma análise experimental dos efeitos do desbalanceamento térmico induzido por mancais de deslizamento em rotores rígidos e flexíveis, demonstrando como a taxa de aceleração e o aquecimento diferencial influenciam a estabilidade, as amplitudes síncronas e o risco de contato no mancal.

O essencial

Imagine que você tem um pião gigante girando muito rápido. Se esse pião estiver perfeitamente equilibrado, ele gira suavemente. Mas, se ele estiver um pouco torto, ele começa a vibrar e a "pular".

Este artigo de pesquisa conta a história de cientistas que estudaram exatamente isso, mas com uma virada interessante: eles descobriram que o pião pode ficar desequilibrado pelo calor, e não apenas por estar mal montado.

Aqui está a explicação simples do que eles fizeram e descobriram, usando analogias do dia a dia:

1. O Problema: O "Efeito Morton" (O Pião que Fica Torto de Calor)

Normalmente, pensamos que uma máquina vibra porque tem um peso desbalanceado (como uma roda de carro com um pneu desequilibrado). Mas, neste estudo, os cientistas observaram algo diferente: o calor.

• A Analogia: Imagine que você está esfregando as mãos uma na outra. Se você esfregar apenas a palma da mão direita, ela fica mais quente que a esquerda. Se você fosse um bastão de gelo, essa parte quente derreteria mais rápido, fazendo o bastão curvar para o lado frio.
• Na Máquina: O eixo (o "pião") gira dentro de um mancal (uma peça que o segura). O óleo que lubrifica essa peça gera atrito e calor. Às vezes, o calor não é uniforme: um lado do eixo fica mais quente que o outro. Isso faz o eixo curvar-se (como o bastão de gelo derretendo). Essa curvatura cria um novo "desequilíbrio", fazendo a máquina vibrar mais. Essa vibração gera mais atrito, que gera mais calor, que curva mais o eixo... é um ciclo vicioso.

2. Os Dois "Piões" Testados

Os pesquisadores usaram dois tipos de eixos para ver como isso acontecia:

• O Eixo Curto (Rígido): Imagine uma vara de ferro grossa e curta. Ela é muito dura e não dobra facilmente.
  • O Resultado: Quando eles giraram esse eixo a 7.000 rotações por minuto, ele começou a vibrar mais e mais, e a temperatura de um lado subiu. Mas, depois de um tempo, ele se estabilizou. Foi como se o eixo tivesse "aceitado" a curvatura e encontrado um novo equilíbrio. Mesmo vibrando forte, ele não quebrou.
• O Eixo Longo (Flexível): Imagine uma vara de pesca longa e fina. Ela é muito mais flexível.
  • O Resultado: Aqui a coisa ficou perigosa. Quando eles giraram esse eixo a 6.600 rotações, o comportamento dependia de como eles ligaram a máquina.

3. A Importância da "Ligação Lenta" vs. "Ligação Rápida"

A descoberta mais interessante foi sobre o tempo de partida (o "start-up"):

• Cenário A (Ligação Lenta - 180 segundos): Eles aumentaram a velocidade devagarinho. O eixo longo teve tempo de aquecer uniformemente. O resultado foi o mesmo do eixo curto: vibrou um pouco, mas se estabilizou. Foi um comportamento "seguro".
• Cenário B (Ligação Rápida - 80 segundos): Eles aceleraram a máquina muito rápido. O eixo não teve tempo de se adaptar. O calor se concentrou em um ponto específico muito rápido, o eixo dobrou bruscamente e a vibração explodiu.
  • A Consequência: A máquina começou a bater no interior da peça (o mancal). Foi como tentar fazer um pião girar tão rápido e tão desequilibrado que ele começa a bater nas paredes do pote onde está. Isso é perigoso e pode destruir a máquina.

4. O Que Eles Mediram?

Para provar que era calor e não apenas um defeito de montagem, eles usaram "termômetros" (sensores) espalhados ao redor do eixo e mediram:

• A diferença de temperatura: Um lado estava muito mais quente que o outro.
• A "Dança" da vibração: Eles observaram a direção da vibração. Quando o calor causava o problema, a vibração mudava de direção de forma estranha (descrevendo espirais), o que é a "assinatura" desse efeito térmico.

5. Conclusão Simples

O estudo nos ensina duas coisas principais:

1. Calor é perigoso: Em máquinas girando rápido, o calor pode criar desequilíbrios que não existiam no início, fazendo a máquina vibrar até quebrar.
2. A velocidade importa: Às vezes, ligar a máquina muito rápido é pior do que ligar devagar. Se você der tempo para o calor se espalhar (ligação lenta), a máquina pode se adaptar. Se você forçar a velocidade (ligação rápida), o calor se concentra e causa um desastre.

Resumo final: É como se você estivesse dirigindo um carro em uma estrada de terra. Se você acelerar devagar, o carro se adapta à poeira. Se você acelerar de repente, a poeira sobe e cega você, fazendo você bater. Os cientistas descobriram como evitar essa "poeira" de calor nas máquinas industriais.

Resumo técnico

Título: O Efeito de Desequilíbrio Térmico Induzido por um Mancal de Deslizamento em Rotores Rígidos e Flexíveis: Análise Experimental

1. Problema Investigado

O artigo aborda o efeito de desequilíbrio térmico (conhecido como Efeito Morton) em rotores de máquinas rotativas. Diferente do efeito Newkirk (causado por contato leve), o Efeito Morton ocorre em mancais lubrificados sem contato físico direto.

• Mecanismo: O cisalhamento do filme de lubrificante gera calor não uniforme ao redor do eixo. O ponto mais quente ("hot spot") fica deslocado do ponto de menor espessura do filme ("high spot").
• Consequência: Essa diferença de temperatura cria uma flexão térmica no rotor, aumentando o desequilíbrio mecânico original. Isso leva a um aumento lento das amplitudes de vibração síncrona (1X) e a uma mudança de fase, podendo resultar em espirais de vibração instáveis e, eventualmente, em contato entre o eixo e o mancal.
• Desafio: A previsão numérica desse fenômeno é difícil devido à falta de dados experimentais validados e à complexidade do acoplamento entre termodinâmica e dinâmica de rotores.

2. Metodologia

Os autores realizaram uma análise experimental comparativa utilizando dois rotores diferentes montados em um banco de testes instrumentado:

• Configuração do Banco de Testes:
  • Um rotor movido por motor CC (1,8 kW) com acoplamento flexível.
  • Suporte por um mancal de esferas (lado esquerdo) e um mancal de deslizamento cilíndrico (lado direito).
  • Instrumentação extensiva: 10 termopares no mancal, 5 termopares no eixo (via anel escorregador), sondas de proximidade indutivas para medição de deslocamento e sensores ópticos para velocidade e referência de fase.
• Rotores Testados:
  1. Rotor Rígido (Curto): 430 mm de comprimento, operando a 7 krpm (longe de qualquer modo flexível crítico).
  2. Rotor Flexível (Longo): 700 mm de comprimento, com discos pesados (um entre mancais e um em balanço), operando a 6,6 krpm (próximo ao primeiro modo flexível crítico).
• Procedimento Experimental:
  • Testes de longa duração em velocidade constante para observar a estabilização.
  • Testes de aceleração (start-up) e desaceleração (coast-down) com diferentes tempos de aceleração (180 s vs. 80 s) para investigar a sensibilidade ao cenário de partida.
  • Análise de amplitudes, fases, temperaturas médias e diferenças de temperatura (pico a pico) no eixo e no mancal.

3. Principais Contribuições

• Validação Experimental do Efeito Morton: Fornece evidências claras e detalhadas do efeito Morton em rotores rígidos e flexíveis, correlacionando diretamente a diferença de temperatura no eixo com o aumento da amplitude de vibração.
• Influência da Flexibilidade e do Cenário de Partida: Demonstra que, embora o efeito ocorra em ambos os rotores, a estabilidade do sistema depende criticamente da proximidade da velocidade de operação com a velocidade crítica flexível e, crucialmente, do tempo de aceleração.
• Caracterização da Transição para Instabilidade: Identifica como a redução do tempo de aceleração pode desencadear uma transição de um comportamento térmico "estável" para um "instável", levando ao contato e falha.
• Análise de Atraso de Fase (Phase Lag): Desenvolveu e aplicou um método robusto para calcular o atraso de fase entre o "hot spot" e o "high spot" em órbitas não centradas, mostrando como esse valor varia com o tempo e a condição de contato.

4. Resultados Chave

• Rotor Rígido (7 krpm):

  • Apresentou um aumento significativo das amplitudes síncronas (de 14 µm para ~30-40 µm) com uma mudança de fase leve (20°) antes de estabilizar.
  • Observou-se uma forte histerese nas amplitudes durante a desaceleração, confirmando a natureza térmica do fenômeno.
  • A diferença de temperatura no eixo aumentou de 5,5°C para 12,5°C, correlacionando-se linearmente com a amplitude de vibração.
  • O sistema permaneceu estável mesmo com grandes amplitudes, sem contato.

• Rotor Flexível (6,6 krpm) - Cenário 1 (Partida Lenta - 180 s):

  • Comportamento semelhante ao rotor rígido: aumento das amplitudes seguido de estabilização assintótica ("Efeito Morton Estável").
  • Histerese clara observada durante a desaceleração.

• Rotor Flexível (6,6 krpm) - Cenário 2 (Partida Rápida - 80 s):

  • Instabilidade Desencadeada: A redução do tempo de aceleração para 80 s provocou uma resposta instável. As amplitudes aumentaram rapidamente, forçando a parada de emergência após 23 segundos.
  • Mudança de Comportamento dos Vetores de Vibração: Os vetores de vibração, que inicialmente giravam no sentido oposto à rotação, começaram a girar no sentido da rotação, indicando uma mudança fundamental no mecanismo de instabilidade.
  • Contato: Em testes subsequentes com a mesma condição rápida, ocorreu um contato leve entre o eixo e o mancal, levando a um aumento drástico da temperatura e homogeneização térmica no mancal (transição para efeito Newkirk).

• Análise de Atraso de Fase:

  • No rotor rígido, o atraso de fase entre o ponto quente e o ponto de maior amplitude diminuiu de 46° para 26°.
  • No rotor flexível instável, o atraso de fase no plano do disco em balanço (NDE) tornou-se negativo e constante, indicando que a maior parte da deformação térmica ocorre na seção em balanço do rotor.
  • No momento do contato, o atraso de fase tendeu a zero, confirmando a coincidência dos pontos quente e de maior amplitude.

5. Significância e Conclusões

O estudo conclui que o efeito de desequilíbrio térmico não é apenas uma função da diferença máxima de temperatura ou da proximidade com a velocidade crítica, mas é altamente dependente do cenário de partida (start-up scenario).

• Risco Operacional: Uma partida rápida pode impedir que o sistema atinja um estado térmico estável, desencadeando instabilidades catastróficas que não ocorreriam em partidas lentas, mesmo na mesma velocidade de operação.
• Implicações para Projeto: O trabalho destaca a necessidade de considerar a interação termodinâmica-dinâmica no projeto de rotores flexíveis com discos em balanço. A simples redução da relação L/D do mancal ou o aumento da viscosidade do óleo (soluções citadas em literatura anterior) podem não ser suficientes se o perfil de aceleração não for controlado.
• Futuro: Este trabalho experimental serve como base para a segunda parte da pesquisa dos autores, que focará em previsões teóricas e simulações numéricas completas para melhor prever e mitigar esses efeitos.

Em resumo, o artigo fornece evidências experimentais cruciais de que a gestão térmica durante a partida de máquinas rotativas é tão crítica quanto o controle de vibração em regime permanente para evitar falhas por efeito Morton.