Otimizando Vibração de Acionamento por Fluido em Bombas de Alimentação de Caldeira: Um Estudo de Caso

Uma bomba de alimentação de caldeira (BAC) acionada por um acionamento por fluido ligado à turbina a vapor principal era assolada por vibração excessiva, causando substituições frequentes de rolamentos. A planta dependia desta única BAC para geração de energia, operando o eixo de saída do acionamento por fluido entre 2.000 rpm e 3.500 rpm. A Mechanical Solutions Inc. (MSI) realizou testes abrangentes que permitiram à planta ajustar operações com segurança até que uma solução permanente pudesse ser implementada durante uma parada programada.

O trabalho de campo da MSI combinou testes de modalidade por impacto com experimentos de resposta forçada em operação. Dados foram coletados de aproximadamente 125 pontos no acionamento por fluido, bomba, padrão frontal e fundação. Testes de modalidade por impacto identificaram frequências naturais e formas de modo durante operação normal da planta, enquanto dados de resposta forçada produziram a forma de deflexão operacional (ODS) da bomba e conjunto do acionamento (veja Figura 1). A ODS revela a amplitude e fase de cada componente em uma dada frequência, fornecendo insight claro sobre a fonte e severidade da vibração. A MSI também empregou bastões de eixo para sondar frequências naturais de torção no trem de máquinas.

Os testes identificaram 60 Hz como a frequência de vibração dominante, afetando principalmente a extremidade de entrada do acionamento por fluido e o padrão frontal, com pico em 2.500 rpm (42 Hz). Notavelmente, o eixo de saída experimentou maior vibração a 60 Hz do que a 42 Hz. A MSI concluiu que a vibração de 60 Hz originava-se principalmente de uma velocidade crítica de torção do sistema do rotor que "sintonizava" em 60 Hz, influenciada pelo nível de óleo do acionamento por fluido. A rigidez torsional do acionamento controlava a velocidade de saída, ligando indiretamente a vibração à velocidade do eixo. Adicionalmente, uma frequência natural estrutural dos pedestais de rolamento do acionamento por fluido em ~64 Hz foi identificada via ODS e testes de modalidade. As vibrações combinadas rotor/estruturais degradaram severamente a fundação sob o acionamento, com a animação ODS mostrando as placas de base se desprendendo do concreto, amplificando a trepidação do sistema (Figura 1).

Figura 1. Frame congelado de animação de movimento exagerado do teste modal "bump" durante operação da bomba. Observe o movimento relativo da base do acionamento por fluido e placas de base em relação à fundação, que não estão mais firmemente conectadas.

Como a planta precisava permanecer online, um reparo de fundação de longo prazo não era imediatamente viável. Usando as descobertas da MSI, a planta implementou uma estratégia para evitar operar o acionamento por fluido a 2.500 rpm, limitando assim o desgaste rápido de rolamentos e deterioração do padrão frontal. Remédios permanentes — incluindo reforço da fundação e modificações no acoplamento e outros componentes do eixo para deslocar a velocidade crítica torsional — foram agendados para uma futura parada.

Sobre os autores: William Marscher, Presidente e Diretor Técnico, e Eric Olson, Diretor de Marketing, Mechanical Solutions Inc. (MSI) — uma firma de consultoria e P&D em Whippany, N.J. Saiba mais em www.mechsol.com ou ligue 973-326-9920.