Oil whirl vs. oil whip: instabilidade do filme de óleo em mancais

A instabilidade do filme de óleo é uma das falhas mais traiçoeiras em turbomáquinas com mancais hidrodinâmicos. Uma máquina pode operar meses sem problema e, depois de uma mudança na temperatura do óleo ou na carga, mostrar de um dia para o outro uma componente subsíncrona que cresce rápido. O valor global sobe, mas nem sempre o suficiente para alarmar a tempo.

Neste artigo explicamos o que é oil whirl, como ele se diferencia do oil whip, como reconhecer cada um no espectro, na cascata e na órbita, e como agir quando aparecem.

O mecanismo: uma força que empurra de lado

Em um mancal liso, o eixo não gira centralizado. Sob carga ele se desloca e forma uma cunha de óleo convergente, que gera pressão e sustenta o rotor. Esse deslocamento é a excentricidade: quanto mais carregado o mancal, mais o munhão se aproxima da parede.

O ponto central é que a força do filme não atua só no sentido oposto ao deslocamento. Ela tem também uma componente tangencial, no sentido de rotação. Em rotodinâmica isso é modelado como rigidez cruzada (cross-coupled stiffness): se você empurra o eixo para baixo, o óleo também o empurra para o lado. Essa força tangencial alimenta uma precessão direta e, quando supera o amortecimento disponível, o sistema rotor-mancal fica instável.

Por que a frequência fica um pouco abaixo da metade da rotação? O óleo na folga é arrastado pela superfície do munhão, enquanto a bucha do mancal está parada. Por causa das perdas e da pressão gerada, a velocidade circunferencial média do fluido fica um pouco abaixo da metade da velocidade do eixo. Por isso o oil whirl aparece tipicamente entre 0,40X e 0,48X, e não exatamente em 0,5X.

Oil whirl vs. oil whip

Oil whirl: a componente subsíncrona acompanha a rotação. Se a máquina acelera, a frequência sobe mantendo uma proporção quase constante, por exemplo 0,45X. A amplitude costuma ser moderada e o mancal ainda controla a órbita.

Oil whip: quando a rotação chega a aproximadamente o dobro da primeira velocidade crítica, a frequência do whirl coincide com essa crítica. A partir daí a componente trava na primeira crítica: a máquina continua acelerando, mas a frequência para de subir. O rotor vibra no primeiro modo, com pouco amortecimento, e a amplitude pode ocupar boa parte da folga do mancal. O resultado são roçamentos, dano ao babbitt e fadiga do eixo.

Um traço típico do whip é a histerese: uma vez instalado, ele costuma persistir na desaceleração bem abaixo da rotação em que surgiu.

Característica	Oil whirl	Oil whip
Frequência	~0,40–0,48X, proporcional à rotação	Fixa na primeira crítica
Relação com a rotação	Sobe com a rpm	Não muda quando a rpm sobe
Quando aparece	Mancal pouco carregado, em qualquer rotação	Acima de ~2 vezes a primeira crítica
Amplitude	Moderada, pode ser intermitente	Grande, pode ocupar boa parte da folga
Risco	Aviso antecipado	Dano em pouco tempo

Como aparece nos dados

Espectro

No espectro surge um pico subsíncrono bem definido, separado do 1X. Veja como ele se combina com 1X e 2X e em que momento passa do nível de alarme:

Se a relação entre a frequência do pico e a rotação fica em torno de 0,43–0,47 em rotações diferentes, pense em whirl. Se a frequência em Hz fica fixa enquanto a rotação muda, e coincide com a crítica conhecida da partida, pense em whip.

Cascata

A cascata (waterfall) é o gráfico que melhor conta a história. Ela empilha espectros coletados em rotações diferentes durante uma partida ou uma parada:

A linha 1X sobe na diagonal com a rotação. O whirl aparece como outra diagonal, com menos da metade da inclinação. Quando essa linha alcança a frequência da primeira crítica, ela dobra e fica vertical: isso é o whip. Para localizar a crítica com precisão, vale revisar os diagramas de Bode e polar do mesmo transiente; explicamos isso em análise de partidas e paradas com diagramas Bode e polar.

Órbita

Com os sensores X e Y e o Keyphasor, a órbita não filtrada mostra laços internos: o eixo dá cerca de duas voltas para cada ciclo de precessão subsíncrona. A precessão é direta (no sentido de rotação) e os pontos do Keyphasor não ficam parados, porque a componente não é múltipla exata da rotação.

DesbalanceamentoDesalinhamentoRoçamentoInstabilidade

O gráfico de linha de centro do eixo também ajuda: um munhão flutuando perto do centro do mancal, com excentricidade baixa e ângulo de atitude grande, é candidato a whirl. Para revisar laços, sentido de precessão e marcas de fase, veja como interpretar órbitas do eixo.

O que favorece a instabilidade

Na prática, o que mais pesa:

• Baixa carga no mancal. Rotores leves, máquinas verticais, variações de carga em caixas de engrenagens ou um desalinhamento que alivia um mancal deixam o munhão perto do centro, com excentricidade baixa. É a condição clássica.
• Viscosidade do óleo. Um óleo mais frio e mais viscoso tende a centralizar o munhão e, em muitos casos, torna o sistema menos estável. Uma mudança na temperatura de suprimento ou no grau do óleo pode bastar para o whirl aparecer.
• Folga e desgaste. Um mancal gasto ou fora de tolerância muda a geometria da cunha e o amortecimento. Avalie folga e carga juntas.
• Rotação. Operar mais rápido, por exemplo depois de um rerate, aproxima a máquina do limiar do whip.

Nem toda subsíncrona é oil whirl

Antes de trocar um mancal, descarte outros mecanismos abaixo de 1X:

• Roçamento. Pode gerar 1/2X, 1/3X e harmônicos, com órbita truncada ou achatada. Um roçamento severo pode levar à precessão reversa (dry whip), algo que o espectro completo (full spectrum) ajuda a separar.
• Instabilidade aerodinâmica ou de selos. Em compressores de alta pressão, selos labirinto e forças aerodinâmicas do impelidor também geram rigidez cruzada. Costuma travar na primeira crítica como o whip, mas a amplitude acompanha a pressão de descarga ou a carga do processo mais do que a temperatura do óleo.
• Stall rotativo. Aparece em vazão baixa em compressores centrífugos, com uma frequência subsíncrona que depende das condições de escoamento e que costuma aparecer também em sensores de pressão ou de carcaça. Some quando a vazão volta a uma faixa adequada.

A pergunta-chave é qual variável a move: temperatura do óleo e carga do mancal (filme de óleo), pressão de descarga (selos ou aerodinâmica), vazão (stall) ou contato (roçamento). Para ver essas assinaturas lado a lado, confira como detectar falhas em turbocompressores.

Como agir

Imediatamente

1. Confirme a medição: o pico deve aparecer em X e Y, com precessão direta.
2. Compare a amplitude com a folga do mancal. Uma subsíncrona que ocupa uma fração grande da folga diametral pede ação rápida, mesmo com o global abaixo do alarme.
3. Verifique o óleo: temperatura de suprimento, pressão e vazão. Subir alguns graus a temperatura de suprimento, dentro do que o fabricante permite, costuma reduzir o whirl em mancais lisos.
4. Verifique a carga: mudanças de processo, de alinhamento ou de carga nas engrenagens que possam ter aliviado o mancal.
5. Se for whip, reduzir a rotação nem sempre resolve, por causa da histerese. Evite operar de forma prolongada nessa condição e combine com a operação um critério claro de parada.

De projeto

• Mancais de sapatas oscilantes (tilting pad). Cada sapata pivota e se orienta sozinha, então a rigidez cruzada é praticamente nula. É a solução padrão em turbomáquinas de alta rotação.
• Geometrias anti-whirl em mancais fixos: elípticos (lemon bore), de metades deslocadas, multilobulados ou com represa de pressão (pressure dam). Todas buscam aumentar a carga efetiva sobre o filme.
• Ajustar a carga: corrigir o alinhamento ou a distribuição de carga entre mancais, ou reduzir o comprimento do mancal para aumentar a pressão específica.
• Análise de estabilidade conforme API 617 e API 684 sempre que mudarem condições de operação, selos ou mancais.

Como fazemos na RotorMetrics

Coletamos o sinal do seu sistema de proteção existente, por exemplo um Bently Nevada 3500, sem intervir nele. Acompanhamos de forma contínua a faixa subsíncrona, as órbitas e a linha de centro, não só o global. Quando surge uma componente perto de 0,45X, nossos especialistas a correlacionam com temperatura do óleo, carga e rotação, e avisam você com uma recomendação concreta antes que ela vire whip.

Fontes

• Bently, D. E.; Hatch, C. T. Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics. Bently Pressurized Bearing Press, 2002.
• Eisenmann, R. C. Sr.; Eisenmann, R. C. Jr. Machinery Malfunction Diagnosis and Correction. Prentice Hall, 1998.
• Muszynska, A. Rotordynamics. CRC Press, 2005.
• American Petroleum Institute. API RP 684: API Standard Paragraphs Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing.
• American Petroleum Institute. API 617: Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors.
• ISO 20816-1: Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines.