Estudo numérico sobre controle passivo de vibrações em máquinas elétricas rotativas

Abstract

Resumo: Máquinas elétricas rotativas (MERs) de grande porte possuem uma importância enorme para a indústria, seja na geração de energia elétrica via hidrelétricas, parques eólicos e termelétricas, seja na transformação da energia elétrica em motriz, movendo ventiladores, esteiras e diversos equipamentos. Durante a parte final da manufatura destas MERs, normas internacionais, como a IEC 60034- 14, a API 541/546 e a NEMA MG1, limitam os níveis de vibração nos mancais correspondentes, visando evitar danos nesses componentes. Para máquinas de grande porte, pode se tornar difícil obter níveis de vibração abaixo dos requeridos pelas normas, principalmente para máquinas mais rápidas como aquelas com dois polos. Um dos principais infortúnios nesses casos são as excitações provenientes do estator. Este trabalho propõe e investiga uma forma de controle de vibração por isolamento, prática e eficiente, para se evitar a transmissão dessas excitações do estator para a carcaça, melhorando, assim, o nível de vibração nos mancais de uma MER durante sua operação. Para tanto, uma busca inicial de patentes foi realizada, com a intenção de se avaliar o que já existe em termos de soluções deste tipo em diversas empresas de diferentes países. Com este estudo, foi possível distinguir qual o método mais empregado e, assim, uma proposta própria de sistema de isolamento foi desenvolvida. Com ela, uma aferição via modelo com 6 graus de liberdade (GDL) foi executada, comparando-se as frequências naturais e os modos de vibrar obtidos para os projetos de carcaça com e sem sistema de isolamento com os calculados por meio de um modelo simplificado em elementos finitos. Aferido este modelo simplificado em elementos finitos, um outro modelo mais complexo foi elaborado considerando-se todos os componentes da MER escolhida para o estudo, com o objetivo de se prever seu comportamento quando excitada pelo estator. Constatouse, então, que a solução proposta apresentou a redução desejada dos níveis de vibração nos mancais, não por efetivamente reduzir a transmissibilidade entre o sistema excitante (estator) e o excitado (carcaça), como esperado, mas por reduzir o nível da excitação oriunda do estator. Assim, foi possível identificar um efeito de bamboleio do estator, causado pela elevada variação nos valores de rigidez dos elementos que suportam o mesmo, chamadas longarinas, em conjunto com a excitação das forças eletromagnéticas. Este efeito foi minimizado com a introdução da ação de isolamento que agiu homogeneizando os valores de rigidezes das longarinas nas regiões de suporte do estator, refletindo, assim, numa redução acentuada da resposta harmônica medida nos mancais da MER calculada. Palavras-chave: Controle de vibração. Isolamento de vibração. Máquina elétrica rotativa. Excitação pelo estator.

Abstract: Large-scale rotary electrical machines (REMs) are of enormous importance to the industry, either in the generation of electric power by means of hydroelectric plants, wind farms and thermoelectric plants, or in the transformation of electric power into motive, moving fans, mats and various equipment. During the final part of the manufacture of these REMs, international standards, such as IEC 60034-14, API 541/546 and NEMA MG1, limit the vibration levels in the corresponding bearings to avoid damaging these components. For large machines, it may become difficult to obtain vibration levels below those required by standards, especially for faster machines such as two-pole machines. One of the main misfortunes in those cases are the excitations coming from the stator. This work proposes and investigates a practical and efficient form of vibration control by isolation to avoid the transmission of these excitations from the stator to the housing, thus improving the vibration level in the bearings of a REM during its operation. To do so, an initial search for patents was carried out, aiming at evaluating the existence of solutions of this kind in several companies from different countries. Then, it was possible to distinguish which method was the most used, and thus a specific proposal of isolation system was developed. With it, an assessment by a 6-degree of freedom (GL) model was performed, comparing its natural frequencies and modes shapes, obtained for housing designs with and without isolation system, with those of a simplified finite element model. Once this simplified finite element model was assessed, a more complex model was conceived considering all the components of the MER chosen for the study, in order to predict its behavior when excited by the stator. It was found that the proposed solution showed the desired reduction in the vibration levels at the bearings, not by effectively reducing the transmissibility between the excitation (stator) and excitated system (housing), as expected, but by reducing the level of excitation generated by the stator. Thus, it was possible to identify a wobble effect of the stator, caused by the high variation in stiffness values of the elements that support the same, called stringers, combined with the excitation of the electromagnetic forces. This effect was minimized with the introduction of the insulation structure modification that acted homogenizing the stiffness values of the stringers in the stator's support regions, that marked a great reduction of the harmonic responses measured at bearings of the calculated MER. Keywords: Vibration control. Vibration isolation. Rotary electric machine. Stator core excitation.