Tese: Análise de Acidente com Rotor: Modelagem e Simulação
Aluno(a) : Ricardo e Sillva Sant annaOrientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/12/2007
Link para tese/dissertação: http://www.maxwell.lambda.ele.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=11885@1
Resumo: Um problema industrial ocorrido em um compressor de ar motivou esta Dissertação de Mestrado. Problemas em máquinas rotativas sío comuns na rotina de uma indústria. A coleta de dados cuidadosa pode levar a um estudo mais profundo de quais causas prováveis geraram o problema, permitindo-se modelar um sistema que simule as características do problema. O compressor de baixa pressío de ar de uma fábrica de fertilizantes, discutido nesta dissertação, faz parte de um trem de compressío, composto de: turbina a vapor, o compressor (de baixa pressío de ar), multiplicador e compressor de alta pressío. Falhas no mancal de escora do compressor de baixa pressío que causaram grandes perdas de produção motivaram a análise e a simulação numérica do problema. A análise dinâmica do Rotor, modelado matematicamente e discretizada pelo Método de Elementos Finitos, e sua Análise Modal sío os principais objetivos desta Dissertação, com o propósito de: contribuir para se evitar a recorrência deste problema na área industrial; e ajudar aos Engenheiros que trabalham com grandes máquinas a melhor conhecer a dinâmica de um rotor sujeito a esforção axiais, através de um compêndio didático, exceto desta Dissertação, como base de um curso de Análise Dinâmica. A Dissertação é organizada em seis capítulos: o Capítulo Um apresenta a motivação e a organização do trabalho; o Capítulo Dois apresenta o problema industrial, aspectos da falha, as medidas para solucionar o problema, o modo de analisar a solução da falha e o esforço para esclarecer a fonte do problema; o Capítulo Três discute a teoria dos mancais hidrodinâmicos cilíndricos, a fórmula de Reynolds, a simplificação do modelo de mancal, os conceitos de projeto e a relação entre força e movimento entre o munhío e o mancal. Traça-se o diagrama de Sommerfeld e se discute sua aplicação, assim como os diagramas de rigidezes e amortecimentos adimensionais, todos para o mancal radial curto, explicando-se a linearização dos termos cruzados; o Capítulo Quatro é o mais extenso pois mostra que o modelo simplificado de rotor (de Laval), representando sua dinâmica pela equação de Lagrange, nío é capaz de representar o problema industrial do rotor. Neste capítulo introduz-se a Teoria de Vibrações para sistemas com um e três graus de liberdade, traçando-se diagramas Bodé, de Campbell e do deslocamento no domínio do tempo. Funções de Transferência oriundas da Transformada de Laplace sío utilizadas para representarem a resposta em frequência do movimento; Simulações numéricas de modos complexos e seu significado geométrico sío apresentados. Análise Modal é apresentada para o caso de sistemas com dois e três graus de liberdade. O modelo matemático do rotor para sua discretização é apresentado. A seguir se aplica a discretização pelo Método de Elementos Finitos para a simulação numérica do rotor. Análise Modal do rotor aqui apresentado é simulada, na plataforma Matlab. A modelagem dinâmica do rotor submetido a uma força axial harmônica, extraída de referências especializadas, mostra uma semelhança bem próxima dentro do erro assumido (2% no 20o. modo, pelo critério de Rayleigh) e é capaz de reproduzir o fenômeno de ressonância a uma frequência observada em campo: 14850 CPM, Gráfico FFT (da simulação numérica) está de acordo com a ressonância axial observada em campo. Capítulo Cinco mostra resumidamente a teoria do Método de Elementos Finitos: o uso das funções interpolantes, os conceitos matemáticos subtendidos, a modelagem de barras e vigas, suas dinâmicas, modos e frequências naturais, tabelas com soluções matemáticas fechadas de arranjos de estruturas bem conhecidas e a solução de arranjos de vigas. O último Capítulo Seis comenta os resultados obtidos e propõe futuros trabalhos dentro da linha de estudo da Dissertação. Extensa revisío bibliográfica finaliza o trabalho. Palavras-chave: Rotodinâmica, Mancais Hidrodinâmicos, Análise Modal, Método de Elementos Finitos