Como funciona a bucha flutuante da turbina

O que o mancal de deslizamento realmente sustenta

Para entender como funciona a bucha flutuante da turbina, comece pelo eixo rotativo compartilhado pelos rotores da turbina e do compressor. Dentro da carcaça central, os mancais radiais controlam o movimento lateral do eixo, permitindo que ele gire com baixo atrito. As superfícies lisas do eixo que trabalham dentro desses mancais são chamadas de colos.

Um mancal de deslizamento de turbo usa óleo, em vez de esferas de rolamento, para separar as superfícies móveis. Em condições normais de operação, com uma película hidrodinâmica estabelecida, não há contato direto entre o metal do colo e o do mancal.

A rotação arrasta óleo para uma folga que se estreita entre o colo, ligeiramente deslocado do centro, e o mancal. A pressão gerada nessa cunha de óleo sustenta a carga. Essa é a sustentação hidrodinâmica: as superfícies em movimento ajudam a gerar a própria pressão que as sustenta.

A alimentação de óleo do motor repõe o óleo no mancal e remove calor, mas a pressão de alimentação, sozinha, não explica como o colo permanece separado do mancal. Rotação, viscosidade, carga e geometria também influenciam esse processo.

Durante a partida, a parada ou uma interrupção da lubrificação, pode não haver separação completa. Essa diferença explica por que um mancal projetado para apresentar desgaste muito baixo durante o funcionamento ainda pode sofrer danos graves por um problema na alimentação de óleo.

Os mancais radiais também têm uma função diferente da do mancal axial, que controla o movimento ao longo do eixo. Uma folga axial excessiva exige uma inspeção específica do mancal axial.

Como a bucha flutuante da turbina utiliza duas películas de óleo

Em um turbo com mancais totalmente flutuantes, uma bucha fica entre o colo do eixo e o alojamento na carcaça central. O óleo ocupa duas folgas de trabalho:

• Folga interna: entre o colo do eixo e a superfície interna da bucha.
• Folga externa: entre a superfície externa da bucha e o alojamento na carcaça.

O óleo chega a esses espaços pelas passagens da carcaça e pelos furos ou canais de óleo do mancal, conforme o projeto.

A bucha pode girar livremente. O óleo arrastado pelo eixo aplica um torque de acionamento à superfície interna dela, enquanto a película externa de óleo oferece resistência à sua rotação. A bucha se estabiliza em uma rotação determinada pelo equilíbrio entre esses efeitos.

Normalmente, ela gira no mesmo sentido do eixo, a uma fração da rotação dele. Essa fração varia conforme as condições de operação; não existe um acoplamento por engrenagens entre a bucha e o eixo.

Como a bucha gira, a diferença de velocidade entre as superfícies separadas pela película interna é menor do que seria com uma bucha parada. Isso pode reduzir o atrito na película interna. A película externa continua produzindo atrito, portanto as perdas totais do mancal dependem do projeto completo.

As duas películas transmitem forças. A película interna sustenta o colo em relação à bucha, enquanto a externa sustenta a bucha em relação à carcaça e proporciona um importante efeito de amortecimento. Quando o conjunto se desloca lateralmente, o óleo resiste a esse movimento e dissipa a energia da vibração.

1. 1

   Seção do eixo.

2. 2

   Película interna: entre eixo e anel.

3. 3

   Anel flutuante: separa as duas películas de óleo.

4. 4

   Película externa: entre anel e carcaça.

Esquema simplificado, sem escala.

Por que os mancais flutuantes são tão comuns em turbocompressores automotivos

Os mancais de deslizamento com buchas flutuantes oferecem uma combinação prática de custo de fabricação, dimensões compactas, controle de atrito e amortecimento de vibrações. Essas vantagens ajudam a explicar o amplo uso de buchas flutuantes em turbinas automotivas.

Suas peças relativamente simples são adequadas à produção em série. As películas de óleo conseguem acomodar pequenos movimentos durante o funcionamento, e a película externa ajuda a controlar a vibração enquanto o conjunto rotativo passa por diferentes rotações e cargas.

As tolerâncias de fabricação também importam. Os projetistas escolhem as dimensões e as variações permitidas para que o mancal funcione diante das diferenças previstas na produção e das mudanças de temperatura. Isso é controle de tolerâncias, não uma autorização para montar peças sem correspondência dimensional adequada.

Um projeto funcional precisa equilibrar várias necessidades que competem entre si:

• Sustentação suficiente pelas películas de óleo para controlar o movimento do eixo.
• Amortecimento suficiente para limitar a vibração.
• Vazão de óleo adequada para alimentar e resfriar o mancal.
• Atrito e geração de calor aceitáveis.
• Dimensões que possam ser fabricadas de forma consistente.

Os sistemas com rolamentos de esferas adotam outros compromissos de projeto. Para uma comparação mais ampla, consulte Turbinas com rolamentos de esferas vs. mancais de deslizamento.

Diferença entre buchas totalmente flutuantes e semiflutuantes da turbina

Um mancal semiflutuante também tem uma película interna e uma película externa de óleo, mas sua bucha é impedida de girar. Dependendo do projeto, um pino ou outro elemento de posicionamento impede essa rotação, permitindo o pequeno movimento radial previsto.

O eixo gira dentro da bucha que não gira. Do lado de fora dela, a película de óleo atua principalmente como um amortecedor por compressão da película: pequenos movimentos laterais forçam o óleo a escoar pela folga disponível, opondo-se à vibração.

“Semiflutuante” não significa que o mancal esteja parcialmente desgastado ou tenha apenas uma película de óleo. O termo descreve a configuração prevista para o mancal.

As duas configurações não são intercambiáveis simplesmente porque suas peças parecem semelhantes. As passagens de óleo, os elementos de posicionamento e o comportamento do conjunto rotativo precisam corresponder ao projeto original.

Qual é a função das folgas interna e externa

A folga da bucha flutuante da turbina é um espaço de trabalho definido em projeto. Uma folga pequena demais pode ser tão prejudicial quanto uma excessiva, e não existe uma folga universal adequada a todos os turbos.

A folga interna influencia a cunha de óleo que sustenta o colo, além da vazão de óleo, do atrito, da geração de calor e do movimento do eixo. Um ajuste apertado demais pode restringir a vazão de óleo e deixar uma margem insuficiente para as mudanças de temperatura. Uma folga excessiva altera a capacidade de sustentação da película e pode permitir movimentos capazes de causar danos.

A folga externa influencia como a bucha se movimenta dentro da carcaça, como o óleo passa ao redor dela e como a película externa sustenta e amortece o conjunto. Uma folga externa excessiva pode comprometer o controle do conjunto rotativo mesmo que o ajuste da bucha ao eixo esteja correto.

A folga externa costuma ser maior que a interna, mas a relação prevista entre elas depende do projeto. Aumentar qualquer uma dessas folgas não melhora automaticamente a lubrificação ou o amortecimento.

Também é necessário distinguir folga radial de folga diametral. A folga diametral é a diferença entre o diâmetro do furo e o diâmetro externo correspondente; a folga radial é metade dessa diferença. Confundir as duas pode causar um erro grave de inspeção.

Uma medição na extremidade do eixo do lado do rotor do compressor não equivale a nenhuma das folgas dos mancais. Ela inclui os efeitos da disposição dos mancais e da distância entre eles e o ponto de medição. Siga o método de inspeção e os limites especificados.

Como o desgaste dos mancais se manifesta

Comece pelas evidências em todas as superfícies de contato entre os componentes. Uma bucha danificada pode ser a peça com o problema mais evidente, mas o colo e o alojamento na carcaça determinam se mancais novos poderão funcionar corretamente.

Os pontos de inspeção relevantes incluem:

• Riscos e sulcos: sulcos ou riscos no furo da bucha, na superfície externa dela ou no colo podem indicar a presença de partículas ou contato após a perda da separação proporcionada pela película de óleo.
• Ovalização por desgaste: um furo de bucha ou alojamento na carcaça ovalizado pode criar uma folga desigual que uma única medição de diâmetro não detecta.
• Desgaste da bucha: a perda de material da superfície interna ou externa altera as folgas de trabalho. Um desgaste irregular exige uma investigação que vá além da troca da bucha.
• Marcas nos colos do eixo: sulcos, metal arrastado, alterações de cor ou marcas de atrito localizado exigem avaliação conforme os limites de condição superficial e dimensão.
• Danos na carcaça: riscos ou aumento do diâmetro do alojamento na carcaça podem deixar uma folga externa excessiva mesmo com uma bucha nova de medida padrão.
• Depósitos nas passagens de óleo: partículas ou depósitos de carvão podem prejudicar a alimentação de óleo e fazer com que as peças de reposição voltem a falhar.

Meça os colos e os alojamentos acessíveis em várias posições e direções para verificar diâmetro, conicidade e circularidade. Use instrumentos de precisão adequados e as especificações corretas dos componentes.

As marcas, por si só, não comprovam a causa original da falha. Contaminação, alimentação inadequada de óleo, desbalanceamento e outros problemas podem produzir padrões de dano semelhantes. Nosso guia de diagnóstico de falhas na turbina antes da substituição explica as verificações mais abrangentes.

A condição superficial do eixo importa tanto quanto suas dimensões. Um polimento agressivo pode alterar a geometria dos colos ou afetar uma superfície tratada; consulte o guia sobre endurecimento do eixo e colos para mancais flutuantes.

O ruído dos mancais comprova que as buchas estão desgastadas?

Não. Um assobio, um ruído de atrito ou uma mudança na tonalidade do som são motivos para investigar, mas não permitem, isoladamente, um diagnóstico confiável dos mancais.

O desbalanceamento do conjunto rotativo pode produzir vibração que acompanha a rotação do eixo. As forças das películas de óleo também podem produzir movimento subsíncrono, ou seja, o eixo descreve um movimento orbital dentro do mancal a uma frequência inferior à de sua rotação. Em algumas condições, esse movimento pode se tornar instável.

A rotação da bucha e o turbilhonamento do óleo são movimentos diferentes. Uma bucha girando mais devagar que o eixo é uma condição esperada em um projeto totalmente flutuante; isso, por si só, não indica instabilidade.

O som também pode vir do fluxo de ar, de vazamentos ou de danos nos rotores. O artigo Turbilhonamento do óleo (oil whirl) e chicoteamento do óleo (oil whip) em turbinas explica essa distinção com mais detalhes.

O que isso significa na escolha de um kit de reparo ou CHRA

Um kit de reparo faz sentido quando a inspeção confirma que as peças reutilizáveis continuam em condições de uso e que o profissional responsável pelo reparo consegue medir, montar e balancear o turbo corretamente.

Escolha um kit compatível com a identificação do turbo e o projeto dos mancais. As dimensões das buchas, os elementos de alimentação de óleo, os componentes axiais e os elementos de fixação podem variar entre unidades visualmente semelhantes. Confira exatamente o que está incluído no kit.

Buchas novas não recuperam um eixo ou alojamento desgastado na carcaça. Instalá-las sem medir as duas interfaces pode deixar o turbo recondicionado com folgas incorretas desde o início.

Consulte Como escolher um kit de reparo de turbina para verificar a compatibilidade antes de comparar os kits.

Um CHRA de reposição passa a ser uma opção prática quando o eixo, os rotores ou a carcaça central estão danificados, ou quando os equipamentos necessários para o recondicionamento não estão disponíveis. Confirme a compatibilidade de instalação e quais trabalhos de montagem e balanceamento o fornecedor realizou. O guia CHRA versus turbina completa ajuda a determinar se as carcaças externas e os componentes de controle podem ser reutilizados.

O recondicionamento também exige o processo de balanceamento adequado para o turbocompressor. Reutilizar as marcas de montagem não comprova que o conjunto rotativo final esteja devidamente balanceado.

Seja qual for a opção escolhida, corrija a causa original da falha antes da instalação.

Perguntas frequentes

O mancal flutuante do turbo é o mesmo que um mancal de deslizamento?

O mancal flutuante é um tipo de mancal de deslizamento. A expressão mancal de deslizamento descreve como uma película de óleo sustenta o eixo; flutuante descreve a capacidade de movimentação da bucha dentro da carcaça, com rotação permitida na configuração totalmente flutuante.

A que velocidade gira uma bucha totalmente flutuante?

Normalmente, ela gira no mesmo sentido do eixo, a uma fração da rotação dele. Essa relação depende da geometria do mancal, das folgas, da viscosidade do óleo, da temperatura e das condições de operação. Não existe uma porcentagem universal para todos os turbos.

Uma turbina com mancais de deslizamento deve apresentar folga no eixo quando está sem óleo?

Algum movimento radial pode ser normal sem as películas de óleo formadas durante o funcionamento. O movimento aceitável depende do turbo e do método de medição. Uma verificação com os dedos não permite determinar a folga dos mancais, e qualquer contato dos rotores, aspereza ao girar ou movimento medido acima do limite exige investigação.

É possível trocar as buchas desgastadas da turbina sem substituir o eixo?

Somente se os colos do eixo e os alojamentos na carcaça permanecerem dentro dos limites dimensionais e de condição superficial aplicáveis. Buchas novas não corrigem um colo riscado, abaixo da medida, cônico ou ovalizado, nem um alojamento desgastado na carcaça.

Um mancal semiflutuante é uma melhoria em relação a um totalmente flutuante?

Nenhuma das configurações é automaticamente melhor. Cada uma adota um equilíbrio diferente entre atrito, amortecimento, vazão de óleo e comportamento do conjunto rotativo. Use o sistema de mancais especificado para o turbo; a conversão entre eles exige alterações de engenharia que vão além da troca das buchas.

Óleo mais grosso resolve o desgaste do mancal flutuante do turbo?

Não. Óleo mais grosso não recupera as superfícies desgastadas da bucha flutuante da turbina nem corrige folgas excessivas. Use o óleo especificado pelo fabricante do motor e investigue falhas de lubrificação e desgaste mecânico, em vez de tentar esconder os sintomas com uma mudança de viscosidade.

É normal a bucha da turbina girar?

Sim, em uma configuração totalmente flutuante. Girar a uma fração da rotação do eixo não indica, por si só, instabilidade. Uma bucha semiflutuante é impedida de girar.

Para obter ajuda na comparação entre um kit de reparo, um CHRA ou uma turbina de reposição, entre em contato com a LeadTurbo e informe o número de peça da turbina e os sintomas.