Reduzindo Incertezas na Medição de Torque em Ensaio de Motores de Turbina

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Torque está entre as grandezas de medição mais importantes, em aplicações que vão desde a caracterização de turbinas a gás de alta potência até determinar o nível de força necessária para abrir uma tampa de rosca da embalagem de medicamentos. Como qualquer pessoa que estudou física na escola recorda-se, torque é a tendência de uma força para girar um objeto em torno de um eixo, um ponto de apoio ou um pivô. Genericamente falando, torque é a medida da força de rotação em um objeto, como um parafuso ou um pêndulo. Por exemplo: empurrando ou puxando o cabo de uma chave conectada a uma porca ou parafuso produz-se um torque (força de rotação), que solta ou aperta a porca ou o parafuso. No entanto, medir torque com precisão pode estar longe de ser simples. Este artigo oferece uma visão geral de uma abordagem para reduzir incertezas na medição de torque, usando um ensaio de turbina para ilustrar este processo.

Esta aplicação envolveu um cliente da HBM que estava redirecionando grandes turbinas, mais especificamente, motores a jato, convertendo-os para funcionar tanto com diesel quanto com gás natural. Estes motores convertidos seriam usados para gerar energia elétrica em locais remotos sem acesso às linhas de transmissão de energia, como plataformas de extração de petróleo off-shore, locais sem infra estrutura, etc.

Como parte deste projeto de modificação, a meta era criar um banco de teste que pudesse proporcionar aos engenheiros as medidas de torque que necessitavam para fazer as alterações necessárias para otimizar a eficiência do combustível. A aquisição precisa de dados de torque no desempenho dos motores é a parte crítica desta pesquisa. Embora a empresa tenha convertido motores a jato para geradores de energia elétrica por muitos anos, eles decidiram recentemente optar por sensores de torque rotativo em linha para melhorar a precisão de seus ensaios, minimizando a incerteza na medição do torque.

Os sensores de torque necessários para o ensaio eram com faixa de capacidade total de 200 N.m, 1 kN.m, 2 kN.m, e 130 kN.m. Os três sensores de menor capacidade tiveram que atender à mesma limitação do espaço disponível e operar em rotações de até 22.000 RPM. O maior sensor tinha que operar em até 4.000 RPM. Como o resto do banco de teste, os sensores de torque utilizados tiveram que ser extremamente duráveis e confiáveis, uma vez que uma sequência de ensaios poderia ser executada em qualquer lugar, por algumas horas e até por alguns meses. Cada sensor tinha que ter medição de torque redundante, uma para permitir mais confiança na precisão dos dados e outra para servir como um backup, se uma das saídas falhasse durante o ensaio.

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Anteriormente, o banco de ensaios utilizava a técnica de medição de torque não-rotativo composta por um braço de alavanca e uma célula de carga incorporados ao dinamômetro flutuante (um grande motor elétrico usado como gerador e uma carga) para medir o torque de reação (Fig. 1). O dinamômetro era apoiado em ambos os lados por rolamentos auto compensadores. Neste método, o braço de alavanca está ligado ao dinamômetro e a distância entre o centro de giro e o centro da célula de carga multiplicado pela força é igual ao torque. Embora seja uma técnica que tem sido usada por mais de meio século, existem algumas vantagens em se medir o torque de reação com um braço de alavanca e uma célula de carga. Por exemplo, questões de alinhamento não são críticas porque o sensor não está localizado no eixo rotativo. Uma proteção contra sobrecarga pode ser relativamente simples de se implementar. Além disso, o sistema é fácil de calibrar porque não há necessidade de se desconectar o eixo rotativo.

Apesar destas vantagens existem algumas desvantagens associadas com a medição do torque de reação com um braço de alavanca e uma célula de carga. A primeira desvantagem é a baixa resposta dinâmica (geralmente até 20Hz), isto ocorre porque a massa do dinamômetro atua como um filtro passa-baixa, o que aumenta a incerteza na medição do torque. Além disso, o dinamômetro deve ser suportado por rolamentos, o que pode “roubar” torque da medição, devido ao atrito. O bom funcionamento destes rolamentos também demanda manutenções periódicas.

Na nova técnica de medição de torque, o cliente optou pela remoção do braço de alavanca e da célula de carga, engastando o corpo dinamômetro, dispensando o uso de rolamentos e acrescentando um sensor de torque em linha (Fig. 2). Esta técnica emprega um sistema flange-para-flange usando um sistema de telemetria digital e, portanto, é totalmente sem contatos, ocupando o mínimo de espaço entre os mancais.

Medir torque com um sensor de torque em linha oferece inúmeras vantagens: por exemplo, permite a medição do torque dinâmico real em um eixo rotativo com mais precisão com maior resposta dinâmica de até 6kHz, muito maior que a resposta comum de 20Hz com células de carga e braço de alavanca.

Com um dinamômetro montado na base, eliminam-se os rolamentos auto compensadores, e consequentemente o atrito e os problemas de manutenção. Além disso, o sensor em linha oferece mais precisão de medição do torque dinâmico. A Fig. 3 mostra uma comparação das curvas do torque dinâmico com o sensor em linha vs. o torque médio.

Assim como a abordagem com célula de carga e braço de alavanca, há desvantagens em se medir sensor de torque em linha. Colocar um sensor de torque em um eixo rotativo torna o alinhamento mais crítico e a proteção contra sobrecargas mais difícil. Quando é hora de calibrar o sistema, o processo é mais complicado, necessitando de modificações no eixo rotativo e/ou a remoção do sensor de torque.

Muitas considerações diferentes influem no projeto e desenvolvimento de sensores de torque rotativos para aplicações deste tipo. Se o rotor do sensor é feito de titânio, ao invés de aço, oferecem a vantagem de baixo peso. Combinando a construção de rotor de titânio com o comprimento mínimo de ponta a ponta pode ajudar a reduzir o peso total da linha de transmissão, que pode ser simplificada evitando "velocidades críticas" do eixo rotativo durante o ensaio. Em essência, a velocidade crítica é o ponto (expresso em RPMs) no qual um eixo rotativo se torna instável, isto é, começa a vibrar de forma harmônica. A meta é criar um sistema de transmissão tão pequeno, rígido e leve quanto possível, de modo a evitar vibrações indesejadas que possam desalinhar o eixo, o que pode aumentar as incertezas de medição, bem como apresentar uma falha catastrófica da linha de transmissão. Um número crescente de sensores de torque usa excitação AC na ponte do strain gage para aumentar a imunidade ao ruído da medição. Isso ajuda a aumentar a precisão da medição especialmente em torques muito baixos. Para atender as necessidades de ensaio deste cliente, a equipe de desenvolvimento de sensores de torque da HBM logo decidiu que a solução por um sensor de torque em linha personalizado seria necessária. Embora existam diversos sensores de torque standard de alta precisão no mercado, a necessidade do cliente por medição redundante, comprimento personalizado para combinar com o espaço de acoplamento existente, rotações extremamente altas e um dimensional não-padronizado, fizeram com que uma solução personalizada fosse inevitável (Fig. 5). O sensor de torque final apresentava um projeto sem rolamentos para diminuir o atrito e, portanto, mais precisão de medição e redução da necessidade de manutenção. Duas pontes de strain gages com dois estatores foram usados para aumentar a confiança na medição do sinal de torque. Um rotor construído à base de titânio reduziu o peso do sensor e aumentou sua classe de rotação. As dimensões e o padrão de parafusos personalizados ajudaram a reduzir o comprimento e peso da linha de transmissão e ajudou a “mover” a velocidade crítica para uma área fora da faixa de medição do sensor. A mudança a partir de medição com braço de alavanca e célula de carga para um sensor de torque em linha aumentou significativamente a resposta dinâmica, bem como, diminuiu a incerteza de medição do sinal. Com dados mais confiáveis de como as mudanças no projeto de seu motor afetam o desempenho, o cliente pode tomar decisões de projeto mais sábias e aumentar a eficiência de seu produto final. Recentemente, a solução personalizada criada para este cliente foi padronizada para uso em outros clientes, que necessitam de medições de torque a alta velocidade combinada com grande precisão.

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