TURBINAS - 1 2 - TURBINAS A VAPOR

Prévia do material em texto

Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 1 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Carcaça HP/IP 
Turbinas à Vapor 
 
 Turbinas à vapor formam uma categoria própria de máquinas motoras com 
múltiplas aplicações. Acionam desde bombas à geração e cogeração elétricas. Seu 
projeto característico é: 
 
Fluxo de Vapor Pás diretrizes Fixas Pás móveis nos discos dos Estágios 
 
1- Projeto Básico 
 Introdução 
 As turbinas a vapor tem os seguintes componentes: 
a) Carcaça: pode ser classificada como HP – alta pressão, IP – pressão 
intermediária e LP – baixa pressão. Contém os canais do circuito do vapor e os 
diafragmas com suas palhetas fixas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
b) Rotores: A turbina a vapor pode ter rotores HP/IP – alta pressão e pressão 
intermediária – ou rotores HP e IP separados e um ou mais rotores LP – baixa 
pressão. 
c) Mancais: de deslizamento, bipartidos, de assento esférico para auto-
alinhamento. São 2 por rotor. Com dois rotores, 1 HP/IP e 1 LP serão 4 mancais. 
Mancais hidrostáticos tipo tilting pads tem uso recente nos rotores HP, IP e 
algumas vezes, LP. 
Carcaça LP 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 2 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Figura - Turbina de Alta Pressão 
d) Selos: os selos podem ser fixos, com molas ou retráteis. Estão nas 
passagens do eixo pela carcaça e entre secções de alta e baixa pressão 
e) Acoplamentos: são normalmente do tipo flangeado rígido 
f) Engrenagem de giro lento: aplica baixa rotação na turbina fora de operação, 
para evitar o empenamento térmico do eixo. 
Carcaça 
 Carcaças HP – alta pressão, são quase sempre muito mais robustas do que o 
rotor, para suportar altas pressões internas. Projetos mais modernos possuem duas 
carcaças, uma externa e outra interna, montadas juntas, alinhadas e fixadas. As 
válvulas são presas à carcaça, parcialmente fundidas. Todas as linhas de alta pressão 
são presas à carcaça, diretamente ou através das válvulas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Entrada de Alta 
Pressão 
Placa de 
Expansores 
Caixa dos Mancais 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 3 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
 
Transmissão de Vibração do Rotor para a Carcaça: 
Como a carcaça é muito mais pesada do que o rotor, acredita-se que sensores 
sem contato, os proximeters da carcaça para o rotor, forneçam medidas de qualidade. 
O rotor, mais leve move-se dentro da carcaça, podendo até roçar. 
Expansão Térmica diferencial nas turbinas HP: 
Com mais massa do que o rotor, a carcaça demora mais para aquecer e esfriar. 
Isto favorece o desalinhamento, pois alguns componentes são presos na carcaça 
externa, carcaça interna, válvulas, etc. A tubulação se movimenta com a temperatura e 
força a carcaça ou então impedem sua expansão. A distorção térmica diferencial afeta o 
alinhamento, causa roçamento, afeta o nível de vibração e modifica as freqüências 
naturais. 
 
 
Mancal Axial 
Mancal Radial com Pescador 
Entrada do Gás 
Selos de Anéis de Carvão 
Empalhetamento 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 4 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Turbina de Baixa Pressão 
 
Expansão Térmica diferencial nas turbinas HP: 
As turbinas LP e HP têm poucas diferenças: 
a) as carcaças LP de construção mais leve, aquecem mais rápido do que o 
rotor; 
b) as tubulações LP são menos 
rígidas – menor arraste térmico. 
Nas LP os tubos são ligados no 
condensador. As variações de 
vácuo do condensador 
reposicionam o eixo em relação 
aos mancais. Os problemas de 
expansão térmica não são graves 
principalmente por que os rotores 
LP têm maiores folgas do que os 
HP. Na expansão térmica o rotor 
força o mancal de escora e desloca-se para o lado oposto. 
 
 
Observações: 
-Válvula de Alívio deve ser instalada na tubulação de saída entre a carcaça e 
válvula e válvula gaveta, dimensionada para fluxo total (para proteção). 
-As carcaças possuem conexões de dreno de pressão que devem ter válvula 
para drenagem de condensado durante paradas e aquecimento para partida. 
 
 
 
 
 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 5 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Perfil do Rotor HP 
Rotores 
A maioria dos rotores é feita de uma 
única peça, aço cromo-níquel-
molibdênio – AISI 4340. Somente as 
palhetas são colocadas depois. Os 
rotores grandes são formados por 
duas peças, mas se comportam como 
corpo único. Alguns têm furo axial 
passante fechado por plugs, que 
retém água coletada em canais de 
labirintos e encaixe de palhetas. 
Dependendo da quantidade de 
líquido armazenado, o rotor pode se 
tornar termicamente sensível, ou 
seja, pequenas diferenças de 
temperatura alteram a vibração em 
1x, em amplitude e em fase. 
 
 
 
 
 
 
 
 Os canais de labirintos são muitas vezes pontos de roçamento. É boa prática 
identificar estes pontos em relação à carcaça. 
 Os rotores são entregues balanceados, sendo necessário talvez pequeno ajuste 
após a montagem. Rebalancear o rotor somente se houver alteração de massa ou de 
rigidez após um tempo de operação. 
Perfil do Rotor LP 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 6 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
 Os rotores das turbinas rodam acima da primeira crítica e, portanto, trabalham 
como rotores flexíveis. Pequenos rotores de contra pressão de baixa rotação podem 
operar como rotores rígidos. Os mancais são projetados para introduzir amortecimento 
e adequar a rigidez do sistema do rotor. As ressonâncias podem ser reguladas pelos 
ajustes nos mancais, um detalhe muito importante. 
 A relação entre a rigidez do eixo e a do mancal deve ser no máximo 5, ou seja: 
5
2


S
b
K
K
 
Onde: 
- Kb=
3
48 LIE  [N/m] é a rigidez do eixo 
- E [Mpa] é o módulo de elasticidade do material 
- I [m4] é o momento de inércia de área 
- L [m] é a distância entre mancais 
 
 
 A rigidez dos mancais do suporte do rotor dos mancais Kb depende da rigidez do 
filme de óleo e dos suportes dos mancais. 
 Quando o mancal está apoiado em um suporte em balanço é mais fácil 
equacionar a resposta dinâmica do rotor. Além das freqüências naturais, os modos de 
vibrar são alterados pela rigidez do suporte. Balanços maiores afetam fortemente o 
modo pivotal e levemente o primeiro modo. O mesmo acontece com o acionamento do 
regulador. O peso do acoplamento afeta a freqüência crítica. Quando o acoplamento é 
flexível, qualquer elemento do acoplamento pode afetar o balanceamento, as 
harmônicas da rotação e as vibrações axiais. 
 
Empalhetamento 
São formados conjuntos de palhetas que são 
montadas nos discos. Estes grupos de palhetas 
formam pequenos subsistemas com muitas 
freqüências naturais e modos de vibrar. A 
operação das turbinas evita as rotações críticas, 
que podem quebrar as palhetas sem que esta 
vibração seja percebida nas medições. 
 As palhetas LP são longas e flexíveis – mais susceptíveis às vibrações. Elas 
podem superaquecer se a unidade estiver trabalhando com o vácuo do condensador 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 7 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
inadequado, sofrer corrosão de tensão que provoca fissuras e perda de massa. A 
erosão criada pelo vapor condensado é um agravante sério. 
 O indicativo é a variação na amplitude e fase de vibração em 1x – tipo 
desbalanceamento. A tolerância radial típica na montagem das palhetas é de 2  m por 
cada mm de diâmetro. 
Placa de Expansores (Diafragmas) 
 Componenteonde ocorre 
ganho de energia cinética, também 
chamada de placa de bocais ou 
bicos. 
 Os furos dos expansores 
podem ser usinados circulares ou 
adotando-se blocos de seção 
retangular (menor perda e maior 
área de passagem) 
 
Introdução aos mancais e selos em dinâmica de rotores 
Uma turbomáquina é definida como uma estrutura rotativa onde a carga ou o 
operador gerencia o fluído de onde se é extraída ou entregue energia. Exemplos de 
turbomáquinas incluem bombas e compressores, turbinas à gás ou à vapor, turbo 
geradores e turbo expansores, etc... 
 A maioria das turbomáquinas é apoiada em mancais de filme de óleo (mancais 
de deslizamento), no entanto os avanços tecnológicos estão elevando os patamares 
destes tipos de mancais para sua melhoria e até o desenvolvimento de mancais a gás. 
Os mancais de óleo são utilizados devido à sua adequada resistência a carregamentos, 
boas características de amortecimento e ausência de desgaste se propriamente 
utilizado e operado. 
As turbomáquinas possuem também outros elementos mecânicos que possuem 
características de rigidez e amortecimento que afetam a dinâmica do sistema rotor-
mancal. Selos de palhetas, selos flutuantes e colares de propulsão são alguns destes 
elementos. 
Circular Blocos de Seção Retangular 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 8 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
 A operação adequada de uma turbomáquina é definida pela habilidade de 
interpretar normais (e até anormais) níveis de vibração sem afetar significativamente 
sua performance. A análise da dinâmica de rotores considera a interação entre as 
propriedades inerciais e elásticas do rotor e as impedâncias mecânicas do filme de 
fluído do mancal e dos outros componentes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mancais Radiais de Deslizamento 
São elementos de máquinas projetados para produzir um movimento suave 
(com baixo atrito) entre as superfícies sólidas no movimento relativo, além de gerar um 
suporte para os componentes mecânicos. O lubrificante ou fluído entre as superfícies 
pode ser um líquido, um gás ou até um sólido. 
 Estes tipos de mancais são projetados para suportar cargas estáticas e 
dinâmicas. E, conseqüentemente, os efeitos de performance em máquinas rotativas são 
de grande importância. 
 Vale lembrar que utilizamos a palavra “filme”, pois a espessura da fluído que 
separa as superfícies é muito pequena quando comparada às outras dimensões do 
mancal, tais como largura e comprimento. 
Problemas mais comuns na dinâmica de rotores: 
 1- Excessivo nível de vibração síncrona; 
 2- Instabilidades sub-harmônicas do rotor; 
 
Níveis de Vibração podem ser reduzidos por: 
a) Refinamento no balanceamento; 
b) Modificação do sistema rotor-mancal: procurar operar o maquinário 
longe das velocidades críticas; 
c) Introduzir amortecimentos que diminuam as amplitudes nas 
velocidades críticas; 
 
Instabilidades sub-harmônicas podem ser evitadas por: 
a) Aumentar o máximo possível as freqüências naturais do sistema 
rotor; 
b) Eliminar as instabilidades do mecanismo, mudança no projeto do 
mancal se o fenômeno do “chicote de óleo” (óleo whip) estiver 
presente; 
c) Introdução de amortecimentos. 
 
 
 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 9 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
 
Principio de funcionamento do mancal de deslizamento 
Princípio de Funcionamento dos Mancais de Deslizamento 
 A figura abaixo mostra um mancal radial de deslizamento nas três fases distintas 
de operação: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A figura (a) mostra o que ocorre no instante da partida ou início de rotação do 
mancal. Devido ao contato metálico inicial, o eixo tende a subir pela parede interna da 
bucha, no sentido contrário da rotação, deslocando-se para a direita, conforme 
mostrado na fig. (b). 
 Finalmente a fig (c) mostra a posição normal de trabalho após algumas poucas 
rotações do eixo. Devido à propriedade de aderência do lubrificante à superfícies 
metálicas, este é arrastado pelo eixo giratório para o espaço convergente entre o 
munhão e a bucha. Uma vez naquela posição, o óleo encontra cada vez menor espaço 
disponível, à medida que é arrastado pelo eixo na direção da rotação. Sendo o óleo 
incompressível, a única coisa que pode acontecer é que o mesmo gera uma pressão 
interna, a chamada pressão hidrodinâmica. Esta pressão depende da velocidade de 
rotação N, da viscosidade  do lubrificante, da folga do mancal, do diâmetro d e 
comprimento L do munhão e da carga aplicada F. 
 Se esta pressão hidrodinâmica for suficientemente elevada, haverá separação 
completa entre eixo e a bucha, estabelecendo-se um filme de óleo de espessura 
mínima h0 na região carregada do mancal, conforme mostrado na fig. abaixo. 
 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 10 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Mancal e distribuição da pressão hidrodinâmica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Num mancal típico, de 3600, conforme mostrado acima, a pressão hidrodinâmica 
no filme de óleo começa a desenvolver-se no ponto A, onde a folga começa a convergir. 
A pressão aumenta gradativamente até atingir o valor máximo, passando a diminuir em 
seguida, até atingir o valor mínimo no ponto B, um pouco adiante da posição de 
espessura mínima h0 do filme de óleo. 
 
 
 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 11 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Categorias de Mancais Radiais de Deslizamento 
 
Mancais com filme de fluídos hidrodinâmicos (lub. de filme completo) 
Neste tipo de mancal há um movimento relativo 
entre duas superfícies mecânicas. A lubrificação 
hidrodinâmica não depende da introdução do 
lubrificante sob pressão, embora possa sê-lo, porém 
requer um suprimento de lubrificante adequado todo 
o tempo. A pressão da película é criada pelo 
movimento das próprias superfícies, impelindo o 
lubrificante para a zona convergente (cunha de óleo) 
a uma velocidade suficientemente alta para criar a 
pressão necessária para separar as superfícies em 
contato, devido à carga no mancal. A pressão hidrodinâmica gerada é capaz de 
suportar altas cargas aplicadas. 
 
Vantagens Desvantagens 
Não requer fonte externa de pressão. O próprio 
movimento induz a criação do filme de óleo 
Se a película de filme for pouco espessa, 
efeitos térmicos afetam a performance do 
mancal. 
Capacidade de suportar altos carregamentos. 
Essa capacidade é definida pela viscosidade 
do lubrificante, velocidade das superfícies, área 
da superfície, geometria do mancal e a 
espessura de filme. 
Requer o movimento relativo entre as 
superfícies para poder gerar a capacidade de 
carga 
Vida longa (infinita na teoria) sem o desgaste 
das superfícies. 
Induz um alto torque de arrasto (perda de 
energia) e um risco potencial de dano às 
superfícies nas partidas(antes da formação do 
filme) e paradas 
Cria coeficientes de rigidez e amortecimento de 
alta magnitude 
Potencial para gerar instabilidades 
hidrodinâmicas. Perda das características de 
amortecimentos quando a rotação do conjunto 
estiver abaixo da rotação crítica do mancal. 
 Mancal Hidrodinâmico 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 12 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Parede de desaceleração 
Barreira 
Principio de funcionamento do mancal de hidrodinâmico 
 
Variantes 
Mancal com barreira à pressão 
 Este tipo de mancal é semelhante a um mancal de 
deslizamento comum, porém, ele possui um alívio interno 
que termina abruptamente em uma parede. Isto faz com 
que o fluído em movimento ao encontrar essa barreira ele 
é desacelerado o que fazsua pressão aumentar 
consideravelmente. Dessa forma este tipo de mancal 
possui uma capacidade de suportar altas cargas e é o 
mais indicado para máquinas que tendem a desenvolver o 
“redemoinho” de óleo (oil whirl). 
 
 
 
 
 
 
 
Pressão 
Movimento 
Relativo 
Pressão 
Rotação 
Fluído 
Cunha 
Hidrodinâmica 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 13 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Colar Rotativo-Pescador 
- Journal 
Mancal Axial de Escora 
Mancal Pivoted Shoe 
O mancal hidrodinâmico com 
colar rotativo é um dos modelos 
mais básicos utilizados. Possui uma 
capacidade para suportar altos 
carregamentos, é compacto e é de 
fácil manufatura. Mas devido aos 
aumentos freqüentes nas rotações 
das máquinas descobriu-se que este 
tipo de mancal é sujeito ao 
“redemoinho” de óleo (oil whirl). Que 
produz altas amplitudes de vibração, 
forças e estresses cíclicos aos 
mancais, eixo e à própria máquina. 
 
Variações deste tipo de mancal foram testadas com a finalidade de impedir o 
aparecimento deste fenômeno. Uma das alternativas que se mostrou eficiente foi o 
Pivoted Shoe. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mancal Hidrodinâmico Pivoted Shoe com colar rotativo 
 
Vista aberta do Mancal Pivoted Shoe 
Base Fixa 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 14 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
1- O óleo entra no anulo pela 
base do anel 
2- Óleo passa pelas fendas 
radiais pela face traseira do 
anel 
3- O óleo flui pela folga entre o 
anel e o eixo 
4- Óleo flui pelo diâmetro interno 
do colar rotativo 
5- Flui por entre as Sapatas 
(Shoes) e vai à formação do 
filme 
6- Na borda do colar o óleo é 
jogado no espaço ao redor do 
colar 
7- O Óleo sai tangencialmente 
pela abertura de descarga 
 Não podemos nos esquecer do lubrificante. É um elemento essencial ao mancal, 
pois serve para transmitir as cargas do eixo para os assentos. Ele também impede o 
contato metal-metal e faz a dissipação de calor gerada pelo movimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Modelamento matemático das características de rigidez e 
amortecimento de um mancal hidrodinâmico 
 
 













inlbm
N
K
c
ld
K
BD
2
3
2
1
3
3
1 

 (1) 
 
 





 







in
lb
m
ND
c
ld
D
BD
secsec
1 2
3
2
1
3
3


 (2) 
 
 
Sapatas que impedem a 
formação do Turbilhonamento 
do óleo (4 ou 5 sapatas com 
babbitt) 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 15 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
 Mancal Hidrostático 
 
Onde temos que : 
 
BDBD
DK , representam a rigidez radial e o amortecimento do mancal 
hidrodinâmico; 
 
11
, DK são constantes; 
 cd , diâmetro do colar rotativo e o diâmetro do filme de óleo; 
l comprimento do mancal; 
 viscosidade dinâmica; 
 razão de excentricidade; 
 velocidade rotativa (velocidade angular); 
 
Podemos ver dessa forma que os dois parâmetros do mancal, Rigidez e 
Amortecimento, estão acoplados. Como os fatores relativos a cada um são comuns 
qualquer mudança no amortecimento reflete uma mudança na rigidez. Por exemplo, as 
equações (1) e (2) mostram que uma tentativa no aumento da rigidez, aumentando a 
viscosidade do fluído, resultará também em um aumento no amortecimento pois ambas 
são diretamente proporcionais a  . Não podemos esquecer que a rigidez do mancal é 
diretamente proporcional a velocidade de rotação do eixo,  . Pois no mancal 
hidrodinâmico o movimento dinâmico é que gera sustentação responsável pela 
resistência às cargas. 
 
Mancais com filme de fluídos hidrostáticos 
Neste tipo de mancal uma fonte externa de 
pressurização do fluído força o lubrificante ou fluído 
entre as superfícies. Desta forma ele permite a 
separação das superfícies e a possibilidade de 
suportar carga, sem contato das partes. 
 
 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 16 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Figura – Principio de funcionamento do mancal de hidrostático 
Pressão 
Filme de óleo 
Pr
essão 
Fluido à Ps 
Cavidade 
Canal de injeção 
 
Vantagens Desvantagens 
Suporta cargas muito grandes. A carga 
suportada é função da pressão gerada ao 
longo do mancal e da área de pressão do fluído 
Requer um equipamento auxiliar. Altos custos 
de instalação e manutenção 
A carga não depende da espessura do filme 
nem da viscosidade do lubrificante 
Necessita de equipamento de filtragem de 
fluído. Existe perda de eficiência com a 
contaminação do fluído 
Vida longa (infinita na teoria) sem o desgaste 
das superfícies. 
Potencial para induzir instabilidades 
hidrodinâmicas no modo de operação híbrido. 
Cria coeficientes de rigidez e amortecimento de 
alta magnitude. Excelente para um exato 
posicionamento e controle. 
Perda de amortecimento em altas e baixas 
freqüências devido a acúmulos de volumes de 
fluídos 
 
 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 17 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Modelamento matemático das características de rigidez e 
amortecimento de um mancal hidrostático 
0
2
C
al
d
lc
P
K S
BS





 (3) 
 
Onde temos que : 
 
 
BS
K representa a rigidez do mancal hidrostático; 
 P pressão fornecida; 
 cd , diâmetro do eixo e o diâmetro do colar rotativo; 
 l comprimento do mancal; 
a comprimento de axial de uma cavidade; 
0
C rigidez não dimensional baseada na geometria do mancal (  ) e 
 na pressão (  ); 
 
 
 
1
12
165.7
0






C (4) 
 
5.0
S
p
P
P
 (5) 
 
 
5.0
1




bd
aan

 (6) 
 
 
 
p
P Pressão em cada cavidade; 
 n número de cavidades; 
 b comprimento circunferencial de uma única cavidade; 
 
 Os mancais das turbinas têm folga radial de 1.6 a 2  m por cada 1mm de 
diâmetro do mancal. Por exemplo um mancal de 200 mm tem folga radial de 320  m a 
400  m (0.32 a 0.4 mm). 
 Os mancais hidrostáticos com sapatas inclinadas não provocam oil whirl – o 
chicoteamento de óleo, mas o selo hidráulico próximo ao mancal pode gerar 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 18 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
instabilidade induzida pelo fluxo. Os mancais de deslizamentos com Babbitt, têm 3 
faixas de folgas: 0.25, 0.50 e 0.75 mm (esta a mais comum). 
 Os mancais mais modernos já vêm com termopar embutido no metal pra o 
monitoramento das temperaturas. 
 Os mancais elípticos e de sapatas inclinadas são os mais comuns nas grandes 
turbinas. Os elípticos são normalmente combinados com assentos esféricos para 
propiciar auto-alinhamento. 
 O efeito direto da capacidade de auto-alinhamento é o que o mancal pode 
movimentar deslocando a linha de centro dos mancais em relação à linha de centro dos 
mancais em relação à linha de centro do eixo. Isto ocorre sem problemas, desde que 
exista folga suficiente entre o mancal e o pedestal. Se o mancal ficar torcido em relação 
à linha de centro do rotor o mancal irá comportar-se como se fosse rígido, com 
perturbações no fluxo de óleo do mancal. Nestas condições pode acontecer roçamento 
entre o eixo e o metal nos lados opostos do mancal e a 180o. As temperaturas do 
mancal e do óleo no dreno ficarão acima do normal. 
 
Medição da Folga nos Mancais de Deslizamento 
 
 
 
 
 
 
 
 A medição da folga nos mancais pode ser feita como mostrado na figura acima. 
Utilizando-se um fio especial aderente e colocando-o paralelo ao eixo, monta-se o 
mancal prendendo-o. O cordão irá se deformar. Medindo-se a deformação com a escalaque vêm com o material podemos saber a folga equivalente no sistema. 
 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 19 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Fluxo do fluído 
Estator 
Rotor 
Baixa 
Pressão 
Alta 
Pressão 
Selo Labirinto Rotativo 
 
 
Selos radiais para fluídos (anular, labirinto ou colméia) 
Separa as regiões de baixa e alta pressão em uma máquina rotativa e têm como 
função minimizar os vazamentos e melhorar a eficiência geral da máquina, extraindo ou 
entregando potência ao fluído. Selos têm maior liberdade que os mancais, e seu 
impacto na dinâmica dos rotores é importante, pois eles estão localizados em regiões 
em que ocorrem altas vibrações. 
 
 
 Com a necessidade de maior 
eficiência, as pressões estão mais altas 
e os selos mais exigidos. Os labirintos 
instalados no eixo entre os estágios 
descarregam em locais de menores 
pressões. As pequenas turbinas usam 
selos de carbono e as grandes usam 
selos tipo labirinto. 
 O lado de alta pressão alivia 
para o dreno de pressão na primeira secção da válvula do labirinto, daí para o próximo 
estágio e assim até o condensador. 
Principio de funcionamento selo labirinto 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 20 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
 O labirinto é formado por um pacote linear ou superposto, mais eficiente, porém 
difícil de permitir a expansão térmica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tipos de Selos de Turbinas 
Os selos comuns são fixos, com molas ou retráteis. 
a) Os fixos são colocados em uma ranhura e preso no local. A folga entre o selo 
e o eixo é fixa e se o eixo se movimentar e tocar o selo haverá dano físico. O 
contato com o selo será visto na vibração como um roçamento. 
b) Os com molas podem se movimentar em direção ao rotor, porque só tem a 
mola e a pressão do vapor o empurra contra o rotor. Quando o rotor se move 
em direção ao selo o selo também se move. Estes selos têm um movimento 
limitado e pode ser superado pelo movimento do rotor. Se este selo travar, 
não haverá folga para acomodar o movimento do rotor e acontecerá o 
roçamento com danos para o selo e para o rotor. 
c) O retrátil se afasta do eixo em condições de baixos fluxos, como nas partidas 
e se expande quando o fluxo de vapor atinge uma porcentagem do fluxo 
Conjunto de Labirintos montados na Carcaça 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 21 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
nominal. A vantagem deste tipo de selo é a ausência de roçamento nas 
partidas e com isto, melhores condições de retenção em operação. 
 
2- Anomalias de Comportamento 
 Excentricidade 
 A excentricidade faz o eixo fletir e 
descrever um trajeto especial característico. 
A medida de vibração vertical mostra o rotor 
subindo e descendo, em amplitude 
correspondente ao valor da excentricidade. 
 O rotor pode empenar por distorção térmica, por esforços de transporte, por 
armazenamento prolongado ou esforços de serviço. Na vibração, o empenamento fará 
crescer a componente 1x com variação de fase. O desbalanceamento provocado e a 
força criada podem inclusive aumentar a excentricidade. Não se deve efetuar 
balanceamento para corrigir excentricidade e/ou empenamentos. 
 Os esforços envolvidos podem provocar trincas em eixo. Quando há suspeita de 
empenamento, o rotor deve ser colocado em baixa rotação e observado. Se a 
excentricidade muda pode ser distorção térmica. Mas se o eixo estiver trincado ele 
também estará empenado. Exige-se cuidados. 
 
 Desbalanceamento 
 Todos os rotores possuem um certo grau de imperfeição na distribuição de 
massa em relação ao seu eixo de rotação, um desbalanceamento de massa. 
 A resposta da máquina é uma vibração radial com uma componente 
predominantemente em 1X e fase estável. 
 As causas mais comuns de desbalanceamento são: 
a- desgastes e incrustações; 
b- quebra de partes rotativas; 
c- troca de partes. 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 22 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
Não se corrige empenamento com balanceamento. Existe uma tendência de 
aceitação de tentar balancear um rotor levemente empenado. As alternativas são 
aceitar a vibração do empenamento ou comprar um rotor novo. 
Com mancais de deslizamento – hidrodinâmicos – a análise de vibração deve 
considerar o run-out, movimento orbital do rotor dentro das folgas radiais do mancal. 
 Os acessórios montados no eixo devem ser balanceados à parte e montados 
corretamente. Não se rebalanceia um rotor por causa de uma polia. É importante que a 
avaliação do desbalanceamento seja baseada em uma medida correta. Vários outros 
fenômenos acontecem em 1X e podem mascarar a avaliação do desbalanceamento e 
com isto, um erro de maiores conseqüências acontecer. 
 
Desalinhamento 
Quando qualquer uma das partes rotativas do 
conjunto da turbina (rotor + acoplamento + rotor do 
gerador) altera as condições do alinhamento em relação 
à parte estacionária (carcaça + mancais + selos) são 
geradas forças dinâmicas que afetam todo o conjunto, 
inclusive o desempenho da máquina. O desalinhamento 
coloca o eixo excêntrico ao mancal alterando suas 
características de rigidez e amortecimento. Isto pode 
comprometer a estreita estabilidade do sistema. Algumas máquinas recém alinhadas 
apresentam instabilidade induzida por fluído nos mancais. O desalinhamento cria 
grandes forças nos mancais e nos selos provocando desgastes também no rotor que 
pode fletir, empenar e até trincar. 
 O gráfico à esquerda mostra a alteração de vibração de um mancal durante 16 
horas, período inicial com carga e no final sem carga. Sob carga nominal, a razão de 
excentricidade foi próxima a zero. Se o conjunto estiver bem alinhado o eixo estabiliza-
se no quadrante inferior direito (dependente do sentido de rotação) com uma relação de 
excentricidade de 0,5 a 0,8. 
 
 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 23 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
 
 
 
 
 
 
 
 
Roçamento 
O roçamento é o contato entre a parte rotativa e a estacionária de uma máquina. 
A análise de vibração detecta com facilidade este fenômeno, tanto pelas Amplitudes 
como pela composição harmônica da vibração. Existe a possibilidade de identificar qual 
parte esta roçando: selos, palhetas e diafragmas. 
O roçamento ocorre por dois motivos: 1 – o eixo move dentro da carcaça, e 2 – 
a carcaça se movimenta em direção ao eixo. De qualquer modo existe o roçamento 
radial e o axial 
 
 
Axial : O roçamento axial 
acontece no movimento relativo 
axial, seja por um excesso de 
expansão diferencial – o que não 
acontece na operação correta da 
turbina ou por vibração axial 
devido a outras causas, por 
exemplo desalinhamento ou desnivelamento. Os procedimentos corretos de partida ou 
parada evitam o roçamento. 
 A posição axial pode mudar durante a operação se as palhetas mudarem 
de ângulo de ataque ou estiverem se desgastando. Contudo, isto só acontecerá se o 
mancal de escora estiver defeituoso, com muita folga, ou o colar de escora estiver solto. 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 24 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
 
 Radial : Para acontecer o 
roçamento radial ou o rotor avança 
para a carcaça ou a carcaça se 
move em direção ao rotor. É 
importante saber quem se aproxima 
de quem para determinar a causa 
verdadeira do roçamento e daí, 
estabelecer o modo de correção. 
 Nas turbinas a vapor o roçamento acontece em 1 com a fase variando 
regularmente no tempo, indicando que a causaé um ponto quente no rotor da turbina. 
 
 Devido ao Movimento da Carcaça : Se a fundação da turbina se movimentar , 
a carcaça sofrerá deformações dinâmicas e se aproximar do rotor. A tubulação também 
forçará a carcaça da turbina. Os pedestais dos mancais, separados da carcaça, 
poderão se mover um em relação ao outro e em relação à carcaça da turbina. 
 Esforços mecânicos e dilatações térmicas participam destes fenômenos 
agravando-os. Se o gerador e a turbina estiverem montados em bases separadas 
maiores serão os problemas. 
 A carcaça pode empenar por causa do resfriamento diferencial criado pela 
estratificação do vapor na carcaça ou por indução da água que distorce a carcaça com 
todas as conseqüências possíveis. Também pode acontecer por fluência da carcaça – 
devido a operações muito longas a altas temperaturas. 
 
 Devido aos movimentos do Rotor : Empenamentos e desbalanceamentos 
rotativos geram movimentos dinâmicos radiais que podem provocar roçamentos do rotor 
na carcaça. Se as freqüências das excitações excitarem ressonâncias, o fenômeno 
poderá ser muito severo. É preciso cuidar para que na partida e parada, as passagens 
pelas ressonâncias não estabeleçam situações perigosas. 
Dinâmica de Rotores – Capítulo 1 
 
Grupo Desenvolvimento Página 25 23-09-2012 
 
Proibida Reprodução sem Autorização - Autor: Eng. Ricardo A. P. Andrade 
 A órbita gerada pelo 
desbalanceamento ocupa as folgas 
entre o rotor e a carcaça, que se 
forem insuficientes, provocam o 
roçamento. Os selos são as 
primeira partes à roçarem. Nos 
selos retráteis ou com molas, a 
situação piora se os selos falharem, 
pois um leve contato se torna um roçamento pesado com o selo travado no eixo. 
 As palhetas podem sofrer, provocar e agravar roçamentos. O desbalanceamento 
do rotor esforça as palhetas. Se uma palheta ou um grupo delas formarem ou 
quebrarem, aumentam simultaneamente o desbalanceamento e o roçamento. 
 O acompanhamento de vibração em 1X em amplitude e fase pode identificar 
partes soltas no rotor e facilitar decisões. 
 
Devido ao Empenamento do Rotor : 
O empenamento ocupa as folgas entre rotor 
e estator e gera roçamento radial. Um rotor 
empenado inicia a rotação com uma 
excentricidade, com efeito similar a um 
desbalanceamento. A vibração resultante usa 
a folga entre rotor e estator. Se a folga for vencida, o roçamento aparecerá. O 
aquecimento localizado gerado pela continuação do roçamento é um agravante a mais. 
 Nos rotores com seções HP/IP, se o roçamento comprometer os selos, a 
diferença de pressão axial forçará também os mancais, criando problemas combinados.