Repensando a rigidez torsional para a era da velocidade variável.

Steve Pennington, Gerente Global de Acoplamento de Engenharia da John Crane. (Foto: John Crane)

Durante décadas, a análise torsional da transmissão baseou-se numa premissa fundamental: a rigidez torsional de um acoplamento é um valor fixo.

Essa premissa serviu razoavelmente bem à indústria de equipamentos rotativos, mas, à medida que os trens de compressores se tornam cada vez mais sofisticados — particularmente com a ampla adoção de inversores de frequência (VFDs), motores elétricos e faixas de operação mais amplas — ela também se tornou uma das maiores limitações do setor.

Segundo Steve Pennington, Gerente Global de Acoplamento de Engenharia da John Crane, a discrepância entre o desempenho modelado e o comportamento operacional real tornou-se cada vez mais evidente.

“Estávamos observando um aumento nas dúvidas sobre a rigidez torsional em inversores de frequência e a precisão dos cálculos”, disse Pennington. “Tradicionalmente, nós e toda a comunidade de acoplamentos fornecíamos um único valor de rigidez torsional, mas tivemos algumas aplicações em que esse valor não estava apresentando a precisão desejada em campo.”

Essa constatação motivou um esforço de pesquisa de três anos que resultou no que John Crane descreve como uma metodologia inédita e validada para análise de transmissões. Em vez de tratar a rigidez do acoplamento como constante, a nova abordagem modela a rigidez como uma característica dinâmica que varia com o torque e as condições de operação. A metodologia foi validada por meio de modelagem analítica, testes em laboratório e múltiplas instalações em campo, melhorando significativamente a correlação entre o comportamento previsto e o medido da transmissão.

Segundo John Crane, os modelos de transmissão aprimorados podem reduzir o risco de comissionamento, melhorar a confiabilidade e ajudar a identificar possíveis problemas de ressonância antes que o equipamento entre em serviço.

Por que os modelos tradicionais falham?

A análise torsional é uma parte crucial do projeto de trens de equipamentos rotativos. Os engenheiros avaliam como motores, turbinas, caixas de engrenagens, acoplamentos e equipamentos acionados se comportam em conjunto para garantir que as frequências naturais do sistema não coincidam com as velocidades de operação.

Historicamente, os fabricantes de acoplamentos fornecem um único valor de rigidez torsional para uso nessas análises.

O problema, explicou Pennington, é que os acoplamentos não se comportam dessa maneira na realidade.

“Nos deparamos com uma resposta não linear”, disse ele. “Isso nos levou a acreditar que deveríamos fornecer vários valores de rigidez torsional em vez de apenas um.”

Testes adicionais revelaram uma descoberta ainda mais significativa.

“Quando observamos pequenas variações no torque, o acoplamento começou a usar seu comportamento de histerese para amortecer o sistema”, disse ele. “Isso significava que podíamos prever com precisão a rigidez torsional para um determinado valor de torque, permitindo que os clientes operassem muito mais próximos das frequências naturais, utilizando a própria capacidade de amortecimento do acoplamento.”

Em termos práticos, explicou Pennington, a rigidez do acoplamento varia ao longo de sua faixa de operação. Em vez de se comportar como uma mola rígida com uma característica constante, ele responde de maneira diferente durante a partida, a operação em regime permanente e as mudanças nas condições de carga.

A John Crane agora define essas regiões separadamente, distinguindo entre uma região inicial de “rigidez dinâmica” e os valores tradicionais de “rigidez estática” usados durante a operação normal.

Sistemas de velocidade variável aumentam os riscos.

Pennington afirmou que o uso crescente de inversores de frequência em toda a indústria de gás natural aumentou a necessidade de análises mais precisas do sistema de transmissão, pois os compressores agora operam em uma gama muito maior de velocidades e condições de torque.

A John Crane afirmou que sua nova metodologia de acoplamento dinâmico aprimora a modelagem da transmissão ao levar em consideração a rigidez dependente do torque, ajudando os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) a reduzir o risco de comissionamento e a melhorar a confiabilidade. (Imagem: John Crane)

Ao contrário dos compressores de velocidade fixa, os sistemas de velocidade variável operam em uma ampla gama de velocidades e condições de torque. Essa flexibilidade melhora a eficiência e o controle do processo, mas também aumenta a probabilidade de o equipamento operar próximo às frequências naturais de torção durante a partida, parada ou mudanças de carga.

“É nos acionamentos mais complexos — aplicações de acoplamento de baixa e alta velocidade e sistemas de transmissão múltiplos — que podemos realmente obter benefícios”, disse Pennington. “Agora podemos determinar com precisão a rigidez torsional para um torque específico em toda a faixa de operação.”

Em vez de obrigar os engenheiros a trabalhar com um valor médio de rigidez, Pennington afirmou que a metodologia fornece múltiplos pontos de operação, permitindo modelos de sistema muito mais representativos.

“Podemos tornar a análise torsional extremamente precisa”, disse ele. “A única limitação agora é a quantidade de informações que o software de análise atual consegue utilizar na prática.”

Do laboratório ao campo

John Crane só introduziu a metodologia depois que ela foi validada em equipamentos operacionais reais.

O desenvolvimento começou com testes estáticos convencionais, antes que os engenheiros projetassem um equipamento de teste dinâmico exclusivo, capaz de medir a rigidez torsional enquanto o acoplamento girava.

“Criamos uma solução muito original para medir a rigidez torsional dinamicamente”, disse Pennington. “Usando medições ópticas em nossa bancada de testes dinâmicos, conseguimos medir a rigidez torsional dinamicamente, o que é bastante singular.”

A empresa comparou então esses resultados com modelos analíticos antes de validar a abordagem em máquinas em funcionamento.

“Realizamos testes estáticos e dinâmicos, obtivemos correlação com a análise de elementos finitos e, mais importante, uma correlação extremamente precisa com o que ocorreu em campo”, disse Pennington. “Instalamos extensômetros no local para medir as forças de torção e estamos dentro de uma margem de apenas alguns pontos percentuais do que previmos. Para uma análise de transmissão, isso é excepcionalmente preciso.”

Até o momento, a metodologia foi implementada com sucesso em quatro aplicações de clientes.

Em um dos casos, um sistema de transmissão atingiu repetidamente uma velocidade crítica de torção durante a operação.

“Antes, estávamos entrando em uma primeira frequência crítica natural e tínhamos que parar as máquinas”, disse Pennington. “Alteramos os parâmetros usando a nova metodologia e agora o equipamento opera exatamente na mesma velocidade, sem atingir a frequência crítica.”

Reduzindo surpresas no comissionamento

Para fabricantes de compressores e empreiteiras de EPC (Engenharia, Aquisição e Construção), o comissionamento é frequentemente o momento em que as deficiências na modelagem do sistema de transmissão se tornam dolorosamente óbvias.

Problemas de ressonância inesperados descobertos durante a inicialização podem atrasar projetos, exigir acoplamentos redesenhados ou impor restrições operacionais até que soluções permanentes sejam implementadas.

A John Crane afirmou que só adotou a metodologia após sua validação em equipamentos operacionais reais. O desenvolvimento começou com testes estáticos convencionais, antes que os engenheiros projetassem um equipamento de teste dinâmico exclusivo, capaz de medir a rigidez torsional enquanto o acoplamento girava. (Imagem: Equipamento de Teste Estático)

Pennington acredita que melhorar a precisão das previsões pode reduzir significativamente esses riscos.

“Quando chega a hora do comissionamento, estamos fornecendo algo que sabemos que vai funcionar”, disse ele. “No passado, tivemos situações em que precisamos voltar atrás e fabricar acoplamentos diferentes para alterar as características de torção. Agora, já comprovamos o projeto antes do comissionamento.”

Pennington afirmou que a confiança é particularmente valiosa em grandes projetos de GNL, compressão em gasodutos e geração de energia, onde atrasos podem ter consequências financeiras substanciais.

Ele também afirmou que a metodologia melhora a colaboração entre os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) ao fornecer informações mais representativas sobre o sistema de transmissão durante a fase de projeto, ajudando a reduzir problemas de integração antes que o equipamento chegue ao campo.

E quanto aos equipamentos já existentes?

Uma das primeiras perguntas que John Crane recebeu após apresentar a metodologia dizia respeito a equipamentos antigos.

Se os engenheiros vêm utilizando um modelo de rigidez simplificado há anos, isso significa que os trens de compressores existentes estão em risco?

Segundo Pennington, a resposta é não.

“A frota existente está em boas condições”, disse ele. “Não estamos alterando nada do que já existe. Estamos aprimorando o conhecimento e proporcionando maior precisão.”

Em vez disso, ele afirmou que as informações adicionais se tornam mais valiosas quando os operadores atualizam os equipamentos, modernizam os inversores de frequência ou modificam as condições de operação.

“Se você quiser melhorar a eficiência, alterar a transmissão ou operar em uma faixa diferente, agora temos mais conhecimento sobre a rigidez torsional e podemos trabalhar com muito mais precisão”, disse ele.

Pennington afirmou que os projetos de modernização podem se beneficiar particularmente da metodologia, pois as informações históricas sobre o sistema de transmissão costumam ser incompletas.

Mais dados — e mais oportunidades

A metodologia está sendo implementada em mais fabricantes de equipamentos originais (OEMs) após a implementação bem-sucedida com um cliente inicial.

Não surpreendentemente, o aumento da precisão também cria um novo desafio: a sobrecarga de informações.

“Na verdade, temos quatro pontos diferentes na curva de torque”, disse Pennington. “O desafio agora é que estamos quase sobrecarregando as montadoras com informações, porque o software atual nem sempre consegue usar tudo isso.”

Ainda assim, Pennington prevê que as ferramentas de análise evoluirão juntamente com a metodologia.

Olhando para o futuro, ele afirmou que a inteligência artificial poderá eventualmente ajudar os engenheiros a interpretar dados de transmissão cada vez mais complexos, embora o foco imediato continue sendo o aprimoramento dos modelos subjacentes.

“Temos mais um ano de testes planejados”, disse ele. “Há outros três parâmetros que queremos analisar. O objetivo é aumentar ainda mais a precisão.”

Uma mudança na engenharia de transmissão

Olhando para o futuro, Pennington acredita que análises cada vez mais sofisticadas do sistema de transmissão se tornarão mais importantes à medida que os compressores incorporarem motores de velocidade variável, acionamentos elétricos e estratégias de controle mais avançadas. Ele afirmou que uma melhor correlação entre o comportamento operacional modelado e o real pode ajudar fabricantes de equipamentos originais (OEMs) e operadores a reduzir problemas de comissionamento, ao mesmo tempo que melhora a confiabilidade a longo prazo.

Pennington também afirmou que o trabalho desafia uma das premissas antigas da indústria de equipamentos rotativos: a de que a rigidez torsional do acoplamento pode ser representada por um único valor constante. Segundo ele, a incorporação de múltiplos pontos de operação em modelos de transmissão proporciona uma visão mais representativa de como os acoplamentos se comportam em condições reais de operação.

John Crane afirmou que a metodologia visa fornecer aos engenheiros informações mais precisas sobre o sistema de transmissão durante o processo de projeto, principalmente para novas instalações, atualizações de equipamentos e aplicações de velocidade variável. A empresa disse que o objetivo é reduzir surpresas na fase de comissionamento, melhorar o desempenho do sistema e dar aos fabricantes de equipamentos originais (OEMs) e usuários finais maior confiança de que o comportamento modelado do sistema de transmissão corresponderá de perto às condições reais de operação.