Tipos de Mancais de Turbomáquinas
Sumário
Mancal para Turbinas a Vapor
Para quem não conhece e olha despercebido para os mancais de turbomáquinas, obviamente que desconsiderando as proporções dimensionais, pode achar todos iguais.
Você que já acompanha a TURBIVAP, já sabe que nem todos os mancais de turbomáquinas são iguais, certo?
Mas quais os principais tipos, diferenças e características entre eles?
Os mancais de turbinas, se diferenciam principalmente em função do formato geométrico do seu diâmetro interno. Vamos entender um pouco melhor sobre os tipos de mancais de turbomáquinas.
Entendendo os Principais Tipos de Mancais de Turbinas
Pois é, existem algumas variações em mancais, algumas configurações e tecnologias diferentes para cada tipo de aplicação de mancal, que podem resultar e impactar consideravelmente no desempenho de turbinas, otimizando ou até mesmo corrigindo diversos problemas, principalmente relacionados com vibração da turbina ou do rotor.
Um bom projeto de mancal fornecerá amortecimento suficiente para suprimir ou atenuar problemas de vibração, além de operar em temperaturas ideais. Por outro lado, um projeto ruim levará a problemas de vibração ou operação em alta temperatura, resultando em redução da vida útil do mancal e maior indisponibilidade da turbina.
Em geral, todo mancal de turbina tem o funcionamento determinado pelo princípio da lubrificação hidrodinâmica que exige, em primeiro lugar, que haja sempre uma quantidade de óleo suficiente para preencher a folga entre o eixo e o mancal.
Em segundo lugar, a formação da cunha de filme de óleo e consequentemente o estabelecimento das condições de lubrificação hidrodinâmicas dependem do tipo de mancal, da velocidade relativa do rotor, da viscosidade do óleo e da carga de trabalho.
Como eu disse, as principais mudanças e tipos de mancais se diferenciam pela configuração geométrica interna, então: sem delongas, daremos uma olhada nos principais tipos de mancais de turbinas e falar um pouco de cada um deles:
Bom, primeiro relembrando que todos os mancais que falaremos possuem revestimento de metal patente no diâmetro interno, mais conhecido como Babbitt. Beleza?
Segundo ponto: mancais de turbomáquinas se diferenciam em função da direção de aplicação de carga: se a carga for aplicada perpendicular ao eixo do rotor, ele se enquadra na família dos mancais radiais. Se a carga aplicada estiver atuando na direção paralela ao eixo, estamos falando de mancais axiais.
Dito isso, quais os principais tipos de mancais radiais de turbomáquinas?
Tipos de Mancais de Turbinas
Mancal cilíndrico;
Mancal elíptico ou popularmente conhecido como “tipo limão”;
Mancal de metades deslocadas ou também chamado mancal offset;
Mancal multilobulares os 3-lobe, 4-lobe;
Mancal tilting-pad ou de sapatas oscilantes;
A razão para existência de tantos tipos de mancais, é que cada um possui algumas características operacionais únicas, que em algumas aplicações podem fazer muita diferença no desempenho da turbina, principalmente em condições operacionais mais extremas: rotação, carga de trabalho, condições de vapor, configuração do rotor e por aí vai…
Mancal Cilíndrico
Entre os mancais hidrodinâmicos de turbomáquinas, o mancal circular ou cilíndrico é o mais conhecido e amplamente utilizado em turbomáquinas menores, embora vem sendo substituído há muito tempo por outros projetos, seja por mancais multilobulares ou tilting-pad.
A forma simples deste mancal oferece muitas vantagens em sua fabricação e no seu desempenho. No entanto, os mancais circulares operando em alta velocidade, assim como baixas cargas, encontram problemas de instabilidade. Essa instabilidade pode danificar não apenas os mancais mas também outras partes da turbina.
Todos devem conhecer esse tipo de mancal cilíndrico, basicamente é uma “bucha”, um corpo principal em algum material rígido, com diâmetro interno revestido com uma fina camada de metal patente “Babbitt”, uma liga de metal macia.
Esse é um mancal de baixa complexidade desde o projeto até a fabricação, logo, tem o menor custo relativo de fabricação. Indicado para aplicações em turbinas com rotores de menor rotação e cargas intermediárias, para cargas leves ele não é muito indicado. Esse é a porta de entrada dos mancais de metal patente.
Esses mancais geralmente sofrem uma variação considerável de temperatura devido às dificuldades de dissipação de calor, trabalham basicamente com uma fina camada de óleo lubrificante ativo.
Isso afeta significativamente o desempenho deles, pois a viscosidade do óleo é uma função importante da temperatura. Além disso, o aumento excessivo da temperatura pode causar oxidação do óleo e, consequentemente, levar à falha do mancal.
O diâmetro interno dos mancais cilíndricos pode ser liso ou conter alguns pequenos detalhes construtivos, como bolsas, canais ou furos de lubrificação, dependendo desse detalhe, ele pode ganhar um nome um pouco diferente, conforme vou mostrar mais a frente
Alguns mancais podem ser reversíveis, esse é o caso do mancal cilíndrico, isso quer dizer que eles podem trabalhar com rotores em qualquer sentido de rotação horário ou anti-horário.
Isso só é verdadeiro realmente, caso ele não tenha nenhum outro detalhe construtivo relacionado com lubrificação como furo, bolsa ou canais de lubrificação.
Os mancais cilíndricos em geral, não requer preload, também conhecido como pré-carga, que é uma condição hidrodinâmica de aproveitamento de características de incompressibilidade do óleo para favorecer na estabilização do rotor durante a operação.
Mancal não Circular
Se por um lado os mancais cilíndricos, tema do nosso vídeo anterior, são os mais comuns e simples para aplicação em turbomáquinas, por outro lado, como eu disse eles tem um problema de trabalhar com temperaturas mais elevadas.
Isso ocorre pois eles operam com um único filme de óleo ativo.
Pensando nesse problema, desenvolvimentos foram feitos para projetos de mancais com perfil não circular que operam com mais de um filme de óleo ativo.
E é exatamente esse recurso, ter mais de um filme de óleo ativo, responsável por uma maior rigidez no amortecimento de cargas e manter temperaturas reduzidas no filme de óleo em comparação com os mancais circulares.
Isso resultou no segundo tipo de mancal que abordaremos, os mancais elípticos ou não circulares. Dentre eles se destacam em turbinas os mancais tipo limão, tipo offset, tipo multilobulares e os tilting-pad, falarei um pouco mais de cada um nos próximos vídeos.
Quase todas as geometrias de mancais não circulares melhoram a estabilidade do eixo e, em condições adequadas, eles também reduzem as perdas de potência.
Como eu disse, o fluxo de óleo nesses mancais é maior em comparação com um mancal circular, reduzindo assim a temperatura do filme de óleo.
Os mancais não circulares tem uma folga grande na direção horizontal ou bipartida e uma folga menor na direção vertical.
Ainda na família dos mancais não circulares, os chamados elípticos, podem existir algumas configurações de perfil, que recebem nomes diferentes entre si, veremos então: começando pelo mancal tipo limão.
Mancal Elíptico “Tipo Limão”
O mancal limão é uma variação do mancal circular onde a folga é reduzida propositalmente em uma direção.
Este mancal tem uma capacidade de carga menor do que os mancais cilíndricos, mas é mais suscetível a turbilhonamento de óleo em altas rotações, o que faz com que ele não trabalhe com temperaturas tão altas devido à folga horizontal ser maior do que a folga vertical.
Os mancais do “tipo limão”, tem dois grandes lóbulos “raios” deslocados em torno do centro, dando uma forma elíptica a esse mancal.
A folga vertical é ligeiramente menor que a folga horizontal. Esse conceito de projeto, suprime o fluxo de óleo com uma pré-carga vertical e pode melhorar a rigidez e o amortecimento sobre o mancal.
Acabamos de falar que esses mancais são um tipo específico de mancal multi-lóbulo, calma que vamos detalhar um pouco melhor esse conceito mais a frente.
Mancal Deslocado “Offset”
Os mancais de deslocamento têm a durabilidade igual aos mancais limão, enquanto apresentam propriedades de rigidez e amortecimento que permitem cargas leves em altas velocidades de rotação e também alta capacidade de carga em menor rotação.
As metades superior e inferior dos mancais offset são deslocadas transversalmente ao centro do eixo para maior estabilidade. Olhando o perfil, na verdade esse mancal não é em formato elíptico, mas sim dois arcos deslocados um do outro.
Esse deslocamento, resulta em uma força aplicada externamente e a compressão resultante do deslocamento horizontal das metades do mancal seguram com precisão o eixo no filme de óleo.
Este efeito produz excelentes características hidrodinâmicas, como rigidez elástica e amortecimento pelo filme de óleo.
Mancal Multilobular
Uma característica chave dos mancais multilobulares é o furo do mancal não ser cilíndrico, isso muda um pouco que vimos até agora sobre hidrodinâmica convencional dos mancais cilíndricos, apresentando dessa vez dois, três ou até quatro lóbulos, agindo sobre na chamada cunha de óleo.
São chamados mancais trilobe ou quadrilobe dependendo de quantos bolsas existirem.
Nesses mancais, o raio do lóbulo que são essas bolsas, é ligeiramente maior que o raio do eixo e isso resulta na formação de um vazio na cunha de óleo em cada raio desse.
Esta folga começa na ranhura ou furo de entrada de óleo, posicionado axialmente no ponto mais largo dessa bolsa. Como regra, o ponto mais estreito da bolsa com o eixo está no centro da bolsa.
E como isso funciona? Quando o eixo começa a girar, o filme de óleo é forçado a entrar nessa bolsa, ou nessa folga, que vai se estreitando no sentido de rotação do eixo. Quando uma pressão de pico do óleo é atingida, o eixo é afastado hidrostaticamente do mancal, eliminando contato metal-metal.
Essas bolsas podem ser centralizadas para rotação bidirecional do eixo, horário ou anti-horário ou deslocados para sentido de rotação único.
O mancal multi-lóbulos proporciona menor folga nominal e maior estabilidade em relação aos mancais cilíndricos. São normalmente usados em máquinas de alta velocidade com rotores leves.
Então voce já deve imaginar porque esse mancal é muito melhor…imagine que nós temos, dependendo de quantas bolsas existirem, não só um vetor de força hidrodinâmica como nos outros mancais, mas sim várias forças direcionadas ao centro do eixo.
O resultado, é um forte arranjo de força hidráulica na centralização do eixo, produzindo uma boa concentricidade.
O vetor resultante de todas essas forças, é a capacidade de carga efetiva do mancal.
Olha aqui uma vista em corte simulando o que acontece com a pressão do óleo dentro da bolsa. A pressão do óleo começa atuar aqui no começo da bolsa, pressão baixa, o óleo vai encontrando resistência pelo perfil da cunha de óleo, a pressão dá um pico no menor ponto de folga e depois a pressão cai novamente ao entrar na outra bolsa e assim sucessivamente.
Deu para entender? Conseguimos expressar o conceito? Fez sentido?
Mancal Tilting Pad
O problema com todos os mancais de deslizamento falados até aqui, ou seja, todos os mancais é que eles suportam uma carga resultante com um deslocamento que não está diretamente alinhado com o vetor de carga resultante, mas está em algum ângulo junto com o vetor de carga de rotação do eixo. Lembra dos nossos vetores de forças de carregamento.
Visando corrigir esse problema, existem os mancais de sapatas oscilantes, também conhecidos como tilting-pad, bastante usados em turbomáquinas devido seu desempenho e estabilidade superior, que compensa, em muitos casos, seu maior valor agregado.
Esses mancais são compostos por várias sapatas pivotadas: o mancal pode ter 3 até 6 sapatas que sustentam e suportam o rotor da turbina independentemente uma da outra, de modo que não exista nenhuma reação de momento. Então as sapatas absorvem muito mais cargas e resultam em muito menos transferência de vibração para o rotor.
A sapata oscila nesse eixo pivotado de modo que seu centro de curvatura muda apenas o ângulo para criar um filme de óleo convergente e otimizado. O pivô é posicionado no centro da sapata ou ligeiramente deslocado. Esse deslocamento no pivô da sapata, quando existir, recebe o nome de offset.
Outra característica variável nos mancais tilting-pad é a orientação de carga, que dependendo de como a sapata esta posicionada e absorve as cargas do rotor, pode receber um nome.
Basicamente encontrará uma dessas 2 configurações: carga no pivô, quando o eixo é suportado por apenas uma sapata centralizada no eixo ou carga entre pivô, quando o eixo é suportado por duas sapatas.
Simples né? mas por aí, você vai encontrar siglas mais chique!!!! load on pivot (LOP) e load between pivot (LBP).
Outra característica dos mancais tilting-pad é que o raio interno das sapatas, são ligeiramente maiores que o raio do eixo, isso cria uma folga onde vai atuar o filme de óleo. A medida que essa folga de cunha de óleo é alterada, altera também os efeitos de rigidez e amortecimento do rotor.
Nesses mancais também existe um fator de montagem conhecido, chamado de ajuste de pré-carga. Mas vamos deixar isso para outra oportunidade….
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Cuidados na Montagem de Mancal de Turbina
Geralmente todo mancal possui gravado no seu corpo alguma informação sobre o sentido de rotação que ele deve trabalhar, justamente para evitar que sejam cometidos erros de montagem.
E acredite, isso é muito comum de ocorrer: montar mancal incorretamente: inverter as metades, superior com inferior, sentido de rotação, inverter as caixas lado acoplado com lado oposto ao acoplado e por aí vai.
As vezes, os mancais podem apresentar detalhes sutis de lubrificação, que ao não ser devidamente compreendido ou incorretamente montado, podem comprometer o funcionamento geral da turbina, por meio da falha dos mesmos, seja “queimando”, danificando ou comprometendo os mancais. Cuidado com isso.
Alguns mancais são fabricados com pequenos detalhes que impedem montagem incorreta, por exemplo, pinos guias e buchas não simétricos.
Outro cuidado deve ser com o material depositado no interior dos mancais, o revestimento interno de Metal Patente, também chamado de “Babbitt” em ilusão ao seu descobridor Isaac Babbitt.
Isso deve-se ao fato do metal patente ser facilmente danificável. Logo, caso o mancal não seja devidamente armazenado ou manuseado, pode ter o metal patente danificado e impossibilitando ser montado para operação recorrente da turbina.
Sobre os cuidados na montagem de casquilhos ou mancal de turbinas, vale destacar a qualidade do mancal que deve ser atestada por meio de ensaios não destrutível – END, conforme veremos agora.
Confira nessa Playlist um Pouco Mais Sobre Mancais Aplicados em Turbinas a Vapor
Aderência de Metal Patente ou “Babbitt” em Mancais / Casquilhos de Turbomáquinas
O que é o termo “Babbitt”?
Para os leigos, metal patente ou também chamado Babbitt, é aquele revestimento nos diâmetros internos e também nas faces de mancais de deslizamento, tanto os radiais quanto os axiais de sapatas oscilantes.
Nas literaturas você também pode encontrar o termo metal branco, simplesmente devido ao aspecto visual da colocação dele.
Mas afinal, o que é o metal patente?
Metal patente é uma liga, que é aplicada nos mancais, nas regiões de contatos com partes rotativas dos rotores….no nosso caso essa liga é base de estanho, com baixo coeficiente de atrito, um material macio e facilmente danificado, que o torna ideal para absorver impactos e reduzir atritos, isso é proposital para que os os rotores, mais especificamente os colos de mancais radiais e axiais sejam sempre preservados em detrimento dos mancais, que são substituídos a cada período de tempo.
Além disso, os mancais possuem um valor financeiro incomparavelmente inferior se comparado aos dos rotores, seja para aquisição ou manutenção, além do menor tempo e maior facilidade de manutenção e substituição.
Esse metal patente como eu disse, o babbitt , é uma liga à base de estanho, normatizada pela norma ASTM B23 #2.
A idéia nesses vídeos não é falar detalhadamente da composição ou sobre o metal patente em si, nem mostrar como se fabrica um mancal.
Embora também possamos fazer isso, se precisar de ajuda com essa demanda é só chamar, mas por enquanto o foco aqui é outro. Especificamente, falar sobre a aderência do metal patente.
Quando você vê um mancal novo, pelo visual e dimensional pode até parecer uma peça bem fabricada, bonita, perfeita!!!! Claro que o dimensional importa, mas ainda mais importante é a aderência do metal patente que pode estar com problemas e você nem saber.
Mas como atestar a qualidade de uma mancal deslizante?
O grande segredo por trás de uma boa aderência do metal patente o chamado babbitt, está diretamente relacionado com a preparação superficial nas peças a receberem o revestimento ou a aplicação do metal patente. Estou me referindo ao tratamento e preparação do material base do mancal.
Isso porque o processo pode envolver uma ou várias etapas como:
- Desengraxamento;
- Decapagem;
- Decapagem Química;
- Banhos químicos;
- Neutralização (seguido por processo de estanhagem)
Cada método tem sua taxa de eficácia e peculiaridades individuais que devem ser desenvolvidas, monitoradas e periodicamente testadas para garantir todo o processo de fabricação, seja ele qual for.
O principal problema associado com falta ou baixa aderência de metal patente de mancais, é o desplacamento do mesmo que progressivamente, pode ocasionar muitos outros problemas associados que vão desde vibração, desalinhamento, deslocamento axial, desbalanceamento, entupimento de dutos de lubrificação, aquecimento do mancal, avaria no colo de mancal do rotor, choque mecânico entre partes estacionárias e móveis, danos ao rotor e até danos mais sérios que podem comprometer gravemente outras partes do seu equipamento.
Existem alguns testes que devem ser realizados durante o processo de fabricação de peças com aplicação de metal patente, entre eles podemos destacar ensaios não destrutivos chamados END, ou seja, testes que podemos realizar na peça final, acabada, que não danifica ou compromete a mesma, que obviamente será utilizada em seguida. Nesses casos podemos destacar o teste por líquido penetrante e/ou ultrassom.
O Ultrassom em contrapartida é um pouco mais complexo de se analisar e executar, mas muito mais assertivo e confiável. Via de regra, um ensaio complementa o outro em função de algumas limitações de ambos.
O líquido penetrante é mais simples, fácil e barato de se realizar. Mas, também mais limitado e menos preciso.
O Ultrassom em contrapartida é um pouco mais complexo de se analisar e executar, mas muito mais assertivo e confiável.
Via de regra, um ensaio complementa o outro em função de algumas limitações de ambos.
Um fabricante tradicional de mancais deslizantes de metal patente deve sempre, no mínimo, manter um histórico dos processos de fabricação de cada peça ou pedido do cliente, onde informações e resultados de inspeções do mancal durante a fabricação devem estar registrados. Basta então para isso, você solicitar esses certificados ou relatórios e analisar.
Alguns fornecedores, já enviam automaticamente um data book a cada pedido, aí basta você checar essas informações.
Agora se você está obtendo e o pior de tudo, operando seu equipamento com peças de fornecedores que não fazem esse tipo de controle ou que nem sabe do que isso se trata: CUIDADO!!! Isso pode trazer um problemão para você e sua operação, já que você não tem em mãos a comprovação dessas importantes inspeções.
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