Em um turbocompressor, a vibração na turbina conhecida como oil whirl corresponde a um movimento orbital do eixo impulsionado pelo filme de óleo que pode permanecer controlado, enquanto oil whip envolve uma ressonância do rotor potencialmente destrutiva.
Encontrar “oil whirl” em um relatório de desmontagem pode parecer um diagnóstico de falha iminente. Na verdade, o termo descreve um movimento. O que importa é a amplitude que esse movimento atinge, se os filmes de óleo mantêm as superfícies separadas e se há evidências de danos.
Para o proprietário, um zumbido não responde a essas questões. Para a oficina, identificar a causa exige relacionar as condições de funcionamento, a inspeção física e, quando necessário, medições de vibração realizadas por especialistas.
O que o filme de óleo faz dentro de um mancal de deslizamento
O colo é a seção lisa do eixo apoiada em um mancal. Em uma turbina com mancais de deslizamento, o óleo ocupa a pequena folga entre o colo e a superfície do mancal ao seu redor.
À medida que o eixo gira, ele arrasta óleo para uma folga que se estreita. A pressão se desenvolve nessa cunha de óleo e sustenta o eixo. O motor fornece óleo continuamente, mas é o movimento do eixo que gera a pressão hidrodinâmica responsável por suportar a carga durante o funcionamento.
O filme de óleo também proporciona amortecimento: ele resiste ao movimento e dissipa parte da energia de vibração na forma de calor. O óleo que circula pelo mancal remove esse calor.
O eixo não precisa ficar exatamente no centro geométrico do mancal. Sua posição muda conforme a carga e a distribuição da pressão ao redor do filme. Pequenos movimentos fazem parte do funcionamento do mancal; o eixo pode se mover sem que haja contato entre as superfícies metálicas.
Essa distinção importa ao inspecionar uma turbina parada. O movimento radial percebido com a mão, sem os filmes de óleo formados durante o funcionamento, não descreve diretamente o comportamento do eixo em operação.
Por que a vibração na turbina por oil whirl ocorre abaixo da frequência de rotação do eixo?
Para entender o que causa oil whirl na turbina, imagine marcar o centro do eixo em uma vista em corte transversal. O eixo gira em torno de seu próprio eixo geométrico, mas o centro marcado também pode percorrer uma pequena trajetória dentro do mancal. Esse segundo movimento é uma órbita.
A pressão do filme de óleo não atua apenas diretamente contra o deslocamento. Em determinadas condições, parte da força atua lateralmente, ajudando a impulsionar a órbita. Se o filme transferir energia de rotação suficiente para esse movimento superar o amortecimento, surge o oil whirl autoexcitado.
“Autoexcitado” significa que o sistema de mancais sustenta o movimento sem precisar de um impulso externo repetitivo. Portanto, não é necessário que um dos rotores esteja desbalanceado.
A órbita geralmente avança no mesmo sentido da rotação do eixo, com frequência menor. Isso é uma vibração subsíncrona: a órbita completa menos ciclos por segundo do que o eixo completa voltas.
Para um mancal de deslizamento estacionário simples, aproximadamente metade da frequência de rotação do eixo, ou um pouco menos, é uma referência conhecida. Essa proporção não é uma regra universal de diagnóstico para oil whirl em turbos automotivos.
Além disso, a rotação do eixo corresponde à rotação do turbocompressor, não às RPM do motor. Comparar um ruído gravado diretamente com o conta-giros pode levar a conclusões equivocadas. Consulte Qual é a rotação de uma turbina? para entender essa distinção.
Mancais com anéis flutuantes têm dois filmes de óleo
Muitas turbinas automotivas com mancais de deslizamento usam anéis de mancal totalmente flutuantes. Cada anel fica entre o eixo e a carcaça central, criando duas folgas lubrificadas:
- Filme interno: entre o colo do eixo em rotação e o anel.
- Filme externo: entre o anel e a carcaça estacionária.
O arrasto do óleo provocado pelo eixo faz o anel girar, enquanto o arrasto no filme externo se opõe a essa rotação. O anel se estabiliza em uma rotação inferior à do eixo, determinada pela interação dos dois filmes.
A rotação do anel não corresponde a uma porcentagem fixa em todas as condições. Folgas, viscosidade do óleo, temperaturas e geometria do mancal influenciam esse valor.
Portanto, o filme interno fica entre duas superfícies em movimento. O filme externo fica entre um anel giratório e uma carcaça estacionária. Ambos podem contribuir para movimentos subsíncronos, e seus comportamentos estão acoplados.
Isso explica por que uma turbina com anéis totalmente flutuantes pode apresentar mais de uma componente de vibração subsíncrona. O comportamento do filme interno também pode fugir da regra simples da metade da frequência de rotação, inclusive apresentando frequências superiores a esse valor.
Alguns projetos impedem a rotação do anel, mas permitem outros movimentos. Seu comportamento não deve ser interpretado com base em todas as premissas aplicáveis a um anel totalmente flutuante. Nosso guia sobre como funcionam os mancais com anéis flutuantes explica essa configuração com mais detalhes.
Diferença entre oil whirl e oil whip na turbina: comparação com o desbalanceamento
Esses termos descrevem mecanismos distintos, embora possam ocorrer juntos.
| Comportamento | O que o provoca | Comportamento típico da frequência | Importância prática |
|---|---|---|---|
| Vibração por desbalanceamento | A distribuição desigual da massa giratória gera uma força repetitiva | A excitação principal acompanha a rotação do eixo, com um ciclo por volta | Exige atenção ao estado do conjunto rotativo e ao balanceamento |
| Oil whirl | As forças do filme de óleo sustentam uma órbita | Abaixo da frequência de rotação do eixo; frequentemente varia conforme a rotação de funcionamento | Pode permanecer limitado dentro de condições aceitáveis de funcionamento |
| Oil whip | A excitação pelo filme de óleo se acopla fortemente a um modo natural de vibração do rotor | A frequência permanece próxima à desse modo enquanto a rotação do eixo aumenta | Pode produzir movimentos do eixo de grande amplitude e causar danos |
Uma frequência natural do rotor é uma frequência na qual o sistema formado pelo eixo e pelos mancais tende a vibrar quando sofre uma perturbação. A flexibilidade do eixo, os rotores e o suporte dos mancais contribuem para esse comportamento.
O oil whip surge quando o movimento impulsionado pelo óleo se mantém acoplado a um modo de vibração do rotor, geralmente um modo de flexão. Em vez de continuar aumentando como uma fração da frequência de rotação do eixo, sua frequência permanece próxima à desse modo ao longo de uma faixa de rotação.
O filme de óleo pode continuar fornecendo energia a esse movimento. A amplitude pode crescer até que efeitos não lineares ou o contato físico a limitem. Isso pode resultar em danos aos mancais, riscos nos colos do eixo, contato dos rotores com as carcaças ou travamento.
Um patamar de frequência constante, isoladamente, não comprova oil whip. Sistemas com anéis flutuantes podem apresentar variações complexas de frequência, e o som medido também reflete a influência da estrutura ao redor.
Eixo horizontal: rotação do eixo.
Eixo vertical: frequência de vibração.
Oil whirl: uma componente subsíncrona pode acompanhar a rotação.
Oil whip: a resposta pode se fixar perto de um modo do rotor.
Esquema qualitativo; não representa dados de ensaio nem limites de operação.
Por que turbinas de produção em série podem conviver com oil whirl
Chamar o oil whirl de “instabilidade” não significa que a órbita do eixo necessariamente crescerá sem limite.
As forças dos mancais são não lineares: sua resposta muda conforme o eixo se desloca e a folga ocupada pelo óleo varia. Uma relação de forças que descreve movimentos muito pequenos perto de determinada posição não descreve toda a folga disponível.
À medida que o movimento se desenvolve, as mudanças na pressão do filme e no amortecimento podem estabelecer uma órbita repetitiva de amplitude limitada. Os engenheiros chamam isso de ciclo limite. O movimento continua, mas sua amplitude para de crescer.
Turbocompressores de produção em série podem funcionar com essas respostas subsíncronas de amplitude limitada. O funcionamento aceitável depende de separação suficiente pelo filme de óleo, folga dos rotores e níveis adequados de vibração e ruído em toda a faixa de funcionamento prevista.
“Oil whirl estável” geralmente se refere a esse estado de funcionamento com amplitude limitada. Isso não significa que todo som relacionado ao oil whirl seja inofensivo, nem que uma órbita continue aceitável depois que o desgaste altera a geometria do mancal.
O que altera a instabilidade dos mancais da turbina?
Não existe uma regra confiável segundo a qual óleo mais grosso, folgas menores ou pressão mais alta sempre melhoram a estabilidade. Os dois filmes interagem, e a mudança de uma condição pode alterar vários aspectos da resposta.
| Alteração | Por que importa | O que a oficina deve considerar |
|---|---|---|
| Desgaste do mancal ou do colo do eixo | Altera a folga, o estado da superfície e a distribuição de pressão | Medir colos do eixo, anéis e alojamentos na carcaça e comparar com as especificações aplicáveis |
| Folga incorreta | Altera a rigidez do filme, o amortecimento, o fluxo e o comportamento do anel | Verificar a compatibilidade dos componentes e as dimensões de montagem |
| Temperatura e viscosidade do óleo | Alteram a resistência do filme, a transferência de calor e a rotação do anel | Registrar se os sintomas ocorrem a frio, com o motor aquecido ou após funcionamento sob carga prolongada |
| Pressão de alimentação de óleo ou restrição no fornecimento | Altera o fornecimento de óleo e as condições de funcionamento do filme | Verificar a alimentação no local e nas condições especificados |
| Desbalanceamento do conjunto rotativo | Acrescenta uma força de excitação síncrona e altera a órbita do eixo e a carga nos mancais | Inspecionar danos nos rotores, depósitos e histórico de recondicionamento |
| Contaminação ou depósitos | Podem riscar superfícies, obstruir passagens ou interferir no movimento do anel | Investigar a limpeza do óleo e o circuito de lubrificação |
A temperatura merece atenção especial. O óleo mais frio pode tornar alguns sons relacionados ao oil whirl mais perceptíveis, enquanto o calor excessivo pode reduzir a viscosidade e comprometer a lubrificação. O desaparecimento de um som após o aquecimento não comprova, por si só, que a turbina esteja em boas condições ou com defeito.
O desbalanceamento também não tem um efeito simples e sempre no mesmo sentido sobre a amplitude do oil whirl. Ele altera o movimento durante o funcionamento, às vezes de forma significativa. Aceitar deliberadamente um desbalanceamento nunca é uma maneira sensata de controlar o oil whirl. Leia Balanceamento de turbocompressores: por que turbinas recondicionadas precisam dele para entender as implicações no recondicionamento.
Possíveis sintomas de oil whirl na turbina
Um zumbido da turbina, um assobio em uma faixa estreita de frequências ou um tom que aparece em determinada faixa de carga pode motivar uma investigação. Alguns sons relacionados aos mancais mudam perceptivelmente com a temperatura do óleo ou parecem manter uma altura sonora semelhante enquanto as condições de funcionamento variam.
No entanto, vazamentos na admissão, vazamentos no escapamento, danos nos rotores, ruído do fluxo de ar e outros componentes giratórios podem produzir sintomas semelhantes. Uma gravação de áudio feita com celular não permite determinar o movimento do eixo que está por trás do ruído.
Observações úteis incluem:
- Se o som é novo ou está ficando mais alto.
- Se ocorre a frio, com o motor totalmente aquecido ou após um período prolongado de aceleração sob carga.
- Se aparece durante a aceleração, sob carga constante ou ao tirar o pé do acelerador.
- Se vem acompanhado de redução da pressão de sobrealimentação, fumaça ou aumento do consumo de óleo.
- Se começou após uma troca de óleo, recondicionamento da turbina ou reparo no sistema de lubrificação.
Fumaça e consumo de óleo não são evidências específicas de oil whirl. Esses sintomas precisam de diagnóstico próprio. Se o ruído mudar repentinamente para um som de atrito metálico ou raspagem, especialmente com fumaça ou perda de potência, interrompa o uso do veículo e providencie uma inspeção.
Para conhecer outras causas de ruído, comece por Por que minha turbina está assobiando?.
Como diagnosticar oil whirl na turbina
Uma oficina de reparação geral pode identificar muitas condições que afetam o comportamento dos mancais sem afirmar que está medindo diretamente o oil whirl.
- Confirme a identificação do conjunto. Identifique o código da peça da turbina, o tipo de mancal e qualquer recondicionamento ou modificação anterior.
- Verifique a lubrificação. Confira o nível do óleo, a especificação aprovada, a contaminação, o estado da linha de alimentação e os requisitos de pressão aplicáveis.
- Inspecione o retorno de óleo e a ventilação. Verifique o retorno de óleo e a ventilação do cárter quando houver vazamento ou fumaça.
- Descarte outras fontes de ruído. Inspecione conexões da admissão, uniões do escapamento, suportes e acessórios próximos.
- Inspecione o conjunto rotativo parado. Procure danos nos rotores, marcas de contato, resistência ou irregularidade ao girar e movimento do eixo medido conforme o procedimento especificado.
- Faça medições durante a desmontagem. Examine o estado dos colos do eixo, as dimensões dos anéis, os alojamentos na carcaça, as passagens de óleo e os sinais de aquecimento ou riscos.
Riscos podem comprovar que houve contato; raramente comprovam oil whip por si só. Da mesma forma, uma folga excessiva comprova um problema dimensional sem identificar todos os mecanismos de vibração que ocorreram antes dele.
Confirmar movimentos subsíncronos geralmente exige sensores adequados, uma referência confiável da rotação do eixo e análise de frequência em diferentes condições de funcionamento. A medição direta da órbita pode exigir equipamentos de ensaio especializados.
Um especialista pode distinguir uma componente que acompanha a rotação do eixo de outra que permanece próxima à frequência de um modo de vibração do rotor. As RPM do motor e uma única gravação de áudio não substituem essas medições. Nosso guia de diagnóstico de turbocompressores apresenta uma sequência de inspeção mais abrangente.
Por que óleo mais grosso não é um reparo
Alterar a viscosidade modifica o sistema de mancais. Isso pode mudar um som sem corrigir desgaste, contaminação, fornecimento inadequado de óleo ou danos nos componentes giratórios.
O óleo mais grosso afeta o arrasto nos dois filmes, a rotação dos anéis, o fluxo através de restrições e a remoção de calor. Também pode afetar a alimentação de óleo durante partidas a frio, algo particularmente relevante para o funcionamento no inverno canadense.
Use a especificação de óleo aprovada pelo fabricante do motor e siga as orientações de viscosidade para a aplicação e as condições ambientais. Não adicione um modificador de viscosidade não aprovado nem instale um restritor de óleo apenas para abafar um ruído de vibração na turbina que possa estar associado ao oil whirl.
Se as dimensões estiverem fora das especificações, escolha o reparo com base nas condições medidas. A escolha entre recondicionamento, substituição do conjunto central e substituição do conjunto completo é explicada em CHRA ou turbocompressor completo.
Perguntas frequentes
Oil whirl significa que a turbina está com defeito?
Não. Uma órbita de oil whirl com amplitude limitada pode ocorrer em uma turbina com mancais de deslizamento em boas condições. O risco de danos surge quando o movimento compromete a separação mantida pelo filme de óleo ou provoca contato. Um ruído novo precisa ser investigado, mas o termo, por si só, não comprova uma falha.
Uma turbina perfeitamente balanceada pode apresentar oil whirl?
Sim. O oil whirl extrai energia da rotação por meio do filme de óleo do mancal, portanto não depende de desbalanceamento. O balanceamento correto continua sendo importante porque o desbalanceamento acrescenta vibração e altera as cargas nos mancais.
O oil whirl ocorre sempre à metade da frequência de rotação do eixo?
Não. Aproximadamente metade da frequência de rotação, ou menos, é uma referência útil para um mancal de deslizamento estacionário simples. Anéis totalmente flutuantes introduzem outra superfície giratória e um segundo filme de óleo, de modo que as frequências reais podem variar, inclusive com movimentos no filme interno acima da metade da frequência de rotação do eixo.
É possível identificar oil whip por um zumbido constante da turbina?
Não. Um tom constante pode ter várias causas, incluindo outras respostas dos mancais, ruído do fluxo de ar e ressonância estrutural. Identificar oil whip exige evidências de que a vibração se mantém acoplada a um modo de vibração do rotor, sustentadas por medições relacionadas à rotação e interpretação especializada.
Óleo mais grosso elimina o oil whirl na turbina?
Ele pode alterar o som ou a vibração, mas isso não comprova que o problema foi corrigido. A viscosidade afeta os dois filmes de óleo dos mancais, a rotação dos anéis, o fluxo de óleo e a remoção de calor. Use óleo com a especificação aprovada pelo fabricante do motor e diagnostique a condição que está causando o problema.
Um kit de reparo pode corrigir o oil whirl?
Somente se a inspeção identificar um conjunto em condições de ser recondicionado e uma falha relacionada aos mancais que o kit correto possa corrigir. Um kit não recupera colos do eixo desgastados nem alojamentos danificados na carcaça. O recondicionamento também exige medições, procedimentos de montagem e balanceamento adequados.
Oil whirl exige a troca da turbina?
Não necessariamente. Uma órbita de oil whirl com amplitude limitada pode ocorrer em uma turbina com mancais de deslizamento em boas condições. Se as dimensões estiverem fora das especificações, escolha o reparo com base nas condições medidas.
Precisa de ajuda para identificar opções de reposição? Entre em contato com a LeadTurbo e informe o código da peça da turbina, os dados do veículo, os sintomas e os resultados de qualquer inspeção realizada.
