Aplicação de material viscoelástico em mancais de rotores de máquinas rotativas

Abstract

Resumo: A grande demanda por equipamentos rotativos como turbinas, compressores, motores elétricos, geradores de energia, obriga os fabricantes a buscar soluções otimizadas em carcaças reduzidas. Para se conseguir grandes potências, geralmente essas soluções vem acompanhadas de elevadas rotações e com elas, podem ocorrer problemas de vibrações e instabilidades. A introdução de amortecimento nos mancais permite eliminar essas instabilidades ou aumentar a região de comportamento estável das máquinas rotativas. Pelas suas características dinâmicas, materiais viscoelásticos (MVEs) possuem uma grande capacidade de dissipação de energia vibratória. Logo, podem ser empregados como uma forma de introduzir amortecimento nas partes não rotativas de equipamentos dinâmicos. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo numérico capaz de predizer o comportamento dinâmico de rotores com MVE aplicados aos mancais. O modelo implementado é capaz de predizer comportamentos dinâmicos através do diagrama de Campbell, resposta ao desbalanceamento e resposta à excitação externa, dentre outros. O método dos elementos finitos é empregado na modelagem rotodinâmica, associado ao modelo de derivadas fracionárias para descrever o comportamento dinâmico do MVE quando aplicado nos mancais do rotor. As propriedades dos MVEs variam com a frequência de excitação e com a temperatura, o que exige uma técnica especial para o cálculo do diagrama de Campbell, assim como para o cálculo das respostas. Medições sobre um protótipo em laboratório são realizadas para verificar a precisão das respostas do modelo proposto.

Abstract: The great rotating machines demand in the world, like turbines, compressors, electrical motors, energy generators, compels the OEM to find optimized solutions with very short casings. Normally high rotating speeds are adopted in machines already mentioned to reach great power. However vibration and instability problems can appear. The introduction of additional damping on bearings allows eliminate the instabilities or increase the stable regions of these rotating machines. Viscoelastic materials (VEM) have a great capacity for damping vibration energy due to their dynamics features. So VEM can be used to add elevated damping on no rotating parts of machines. The objective of this work is develop a numerical model able to predict dynamic behaviors like instability, Campbell diagram, unbalance response, external force response, among other. A finite element method is used to rotordynamic modeling associated with fractional derivative model to predict the dynamic behavior of rotor composed with VEM. The dynamic properties of these materials are function of frequency and temperature. Thus, a special technique to perform the Campbell diagram and the response calculations are needed. Measures on a laboratory prototype are made to verify the results obtained by the proposed model.