O ventilador ID é acionado por um motor de indução de 350 HP (Figura 1). Para melhorar a eficiência, a velocidade do ventilador é variada em vez de usar amortecedores de entrada para controlar o fluxo de exaustão do forno. A velocidade do motor é controlada por um inversor de frequência variável (VFD) de baixa tensão de 0 a 1200 RPM. Qualquer tempo de inatividade não programado seria caro e poderia rapidamente superar as economias de energia decorrentes do uso do VFD em vez dos amortecedores de entrada. Portanto, é imperativo que este sistema de ventiladores tenha alta confiabilidade.
Figura 1: ID do ventilador e motor
A falha do acoplamento do disco flexível consistiu em uma peça espacial rachada, que parecia originar-se em um furo de parafuso (Figura 2). Inicialmente, a manutenção foi responsabilizada pelo possível aperto excessivo dos parafusos de acoplamento. Entretanto, o ângulo de 45 graus da trinca através do espaçador do acoplamento (Figura 3) é típico de uma falha causada por alta vibração torcional.
Figura 2: Fator de concentração de alta tensão (SCF) no furo
Figura 3: Rachadura em ângulo de 45 graus
A vibração torcional é chamada de silenciosa porque ocorre no eixo de rotação do eixo, onde equipamentos convencionais de monitoramento de vibração, como acelerômetros e sondas de proximidade do eixo, normalmente não detectariam. A vibração do acoplamento e a deformação do pacote de calços são indicadores comuns de um problema de vibração torcional. No entanto, os problemas geralmente não são detectados até que ocorra uma falha. Portanto, é necessário equipamento de teste especial para medir a vibração torcional.
Testes de campo foram realizados para diagnosticar a causa da falha do acoplamento. O torque transmitido foi medido usando um sistema de telemetria de extensômetro sem fio montado na extensão do eixo do motor próximo ao cubo do acoplamento, conforme mostrado na Figura 4. O gráfico em cascata na Figura 5 mostra os espectros de frequência medidos do torque alternado versus velocidade. A primeira frequência natural torcional (TNF) do sistema foi identificada em 58 Hz.
As ressonâncias torcionais ocorrem quando a energia em múltiplos da velocidade mecânica de operação e os harmônicos elétricos do VFD cruzam um TNF. Como o motor possui seis pólos (três pares de pólos), a frequência mecânica será de aproximadamente 20 Hz (1200 RPM) quando a frequência fundamental do VFD for 60 Hz, desprezando o escorregamento do motor de indução. Alto torque dinâmico no acoplamento foi encontrado ao operar o ventilador na faixa de velocidade de 1000 RPM a 1200 RPM devido à excitação do VFD, uma frequência elétrica de 1×.
Os VFDs controlam a velocidade do motor variando a frequência elétrica. Nos EUA, a energia elétrica é fornecida a 60 Hz. O VFD primeiro retifica a alimentação CA de entrada para o barramento CC. O VFD então inverte de CC de volta para alimentação CA na frequência elétrica necessária para acionar o motor na velocidade desejada. A frequência de saída do inversor pode variar de 0 a 60 Hz ou até frequências mais altas. Como a forma de onda de saída não é mais uma onda senoidal pura, pode ser produzida ondulação de torque. Algumas tecnologias VFD mais recentes, como a modulação por largura de pulso (PWM), podem produzir formas de onda mais suaves e, assim, reduzir a excitação em harmônicos elétricos.
Como a refinaria normalmente opera o ventilador de 1.000 RPM a 1.200 RPM, que foi a faixa de velocidade onde foi medida uma quantidade excessiva de torque dinâmico, acredita-se que esse seja o motivo da falha do acoplamento. Por exemplo, a excitação do VFD foi de aproximadamente cinco por cento do torque de plena carga (FLT) e na ressonância torcional, o torque dinâmico é amplificado por um fator de trinta. Portanto, o torque alternado máximo foi de aproximadamente 150% do torque transmitido, o que excedeu a classificação do acoplamento.
Devido ao grande diâmetro e peso envolvido, a inércia do ventilador é muitas vezes maior que a inércia do motor. Para o primeiro modo de torção, o núcleo do motor está normalmente próximo de um anti-nó e atua como um pêndulo de torção. O ventilador, por outro lado, geralmente fica próximo ao nó e atua como âncora. O inversor infere alterações de carga monitorando a corrente do motor, que também pode conter variações do primeiro TNF. Em um sistema torcionalmente rígido e levemente amortecido, o primeiro modo de torção é muito sensível a qualquer excitação harmônica ou ajustes repentinos de velocidade do motor VFD. As referências listadas no final deste artigo fornecem informações e exemplos adicionais.
Após discussão adicional com o pessoal da fábrica, foi determinado que o ventilador era originalmente acionado por outro motor de fabricante diferente. Foram necessários reparos no motor original e levariam mais tempo do que a fábrica poderia aceitar. Portanto, foi instalado um motor alternativo de um fabricante diferente. Este novo motor era semelhante em desempenho elétrico, mas muito diferente em tamanho físico e inércia. Infelizmente, os engenheiros elétricos não comunicaram aos engenheiros mecânicos que esta mudança estava sendo feita e não perceberam o efeito no sistema de torção massa-elástica.
O American Petroleum Institute (API) recomenda que uma análise torcional seja realizada na fase de projeto para evitar falhas. Recomenda-se uma margem de separação (SM) de pelo menos 10 por cento entre as frequências naturais de torção e as frequências de excitação para evitar funcionar em ressonância de torção. Isto é necessário, a menos que a operação segura possa ser demonstrada na ressonância. Muitas vezes, satisfazer o SM de 10% é impraticável para sistemas de motor VFD, que normalmente operam em uma ampla faixa de velocidade.
Infelizmente, uma análise torcional do sistema de ventiladores não foi realizada com nenhum dos motores. Portanto, a localização da primeira frequência natural de torção era desconhecida e não poderia ser evitada. Após a falha do acoplamento, foram comparados os valores de inércia dos dois motores. Verificou-se que o motor substituto tinha um valor de inércia (WR2) muito menor que o motor original. A redução da inércia do motor fez com que o primeiro TNF do sistema, que originalmente estava abaixo da velocidade mínima, aumentasse para a faixa normal de velocidade de operação do ventilador.
Como não foi possível voltar ao motor original, foi recomendada uma solução temporária onde a velocidade de funcionamento seria limitada a uma velocidade máxima do motor de 1000 RPM (frequência VFD de 50 Hz) para evitar a excitação do primeiro TNF a 58 Hz. Isto proporcionou um SM de aproximadamente 13 por cento entre a frequência de excitação do VFD e o primeiro TNF do sistema. A planta conseguiu operar o ventilador em condições seguras até que uma solução de longo prazo pudesse ser desenvolvida.
Uma análise torcional do sistema foi realizada e normalizada para corresponder aos dados de campo medidos. Com base nos resultados da análise computacional, um acoplamento alternativo foi selecionado para dessintonizar o TNF da frequência elétrica 1× do VFD. Um acoplamento com blocos de borracha em compressão (Figura 6) geralmente apresenta menor rigidez torcional do que um acoplamento de disco flexível de aço e proporciona amortecimento adicional. O amortecimento limita o torque dinâmico ao operar próximo à ressonância. Acoplamentos de borracha em compressão são comumente encontrados em grandes sistemas de motores/ventiladores VFD em usinas de energia.
Figura 6: (ilustração cortesia do Holset Coupling Catalog)
A rigidez torcional do acoplamento não é linear e é sensível à dureza Shore (dureza) dos blocos de borracha. Portanto, ao utilizar este tipo de acoplamento, é importante calcular os TNFs utilizando vários durômetros de borracha (SM60, SM70, SM80) em toda a faixa operacional. O diagrama de interferência ou Campbell mostrado na Figura 7 ilustra como o primeiro TNF varia com a velocidade/carga para vários durômetros de borracha. Com os blocos SM60, a ressonância torcional foi prevista bem abaixo da faixa normal de velocidade operacional. Felizmente, um acoplamento adequado com blocos de tamanho e dureza adequados foi localizado em um curto prazo de entrega.
O novo acoplamento foi instalado e o sistema de ventilação está funcionando satisfatoriamente há cinco anos. Este estudo de caso mostra a importância de realizar uma análise torcional em um novo sistema na fase de projeto e sempre que o sistema for modificado. As variáveis ​​no sistema incluem a inércia do motor e a rigidez torcional do acoplamento. A inércia foi significativamente diferente entre os modelos de motor antigos e novos.
É interessante notar que a excitação do VFD foi superior à relatada pelo fabricante. Para um VFD mais suave, produzindo apenas um por cento de ondulação de torque, o acoplamento de borracha pode não ter sido necessário. Para obter um projeto confiável, fatores de segurança adequados devem ser considerados para levar em conta possíveis variações nas informações fornecidas.
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Catálogo de Acoplamentos Flexíveis Holset, 510/3.90/F.H., Informações de Aplicação Tipo PM – Industrial, Cincinnati, Ohio.
Troy Feese é engenheiro de projetos sênior na Engineering Dynamics Incorporated (EDI) em San Antonio, Texas. Ele tem 22 anos de experiência realizando análises de vibração torcional, velocidade crítica lateral e estabilidade, bem como avaliação de estruturas usando métodos de elementos finitos. Ele conduz estudos de campo de equipamentos rotativos e alternativos. Ele é palestrante no seminário anual de EDI e escreveu artigos técnicos sobre vibração torcional, velocidades críticas laterais e balanceamento. Ele recebeu um BSME da Universidade do Texas em Austin em 1990 e um MSME da UTSA. Ele é membro da ASME, Vibration Institute, e é engenheiro profissional licenciado no Texas.