Publicada em

17/03/2017

Paulo Cristiano Moro

216 – Modelagem numérica de um selo utilizando um ferrofluido como barreira à passagem do óleo lubrificante

Resumo

Mancais de deslizamento são dispositivos utilizados em equipamentos de grande porte, como por exemplo, em eixos de geradores de usinas hidroelétricas. Nessa aplicação, normalmente, utiliza-se algum tipo de óleo lubrificante com o objetivo de reduzir tanto o atrito quanto o aquecimento das partes em deslizamento. Entretanto o óleo lubrificante é exposto a elevada velocidade tangencial, devido as dimensões do eixo, além da alta temperatura devido ao atrito entre as partes deslizantes. Estes fatores contribuem para o efeito de atomização e pulverização do óleo lubrificante do mancal, gerando uma espécie de vapor que é então projetado sobre outras partes do equipamento, podendo ocasionar falhas em outros sistemas e até mesmo acidentes de trabalho. A literatura apresenta algumas tentativas de solução do problema, porém, até o presente momento, nenhuma delas atingiu esse objetivo. Assim, a presente dissertação propõe, a partir de estudos numéricos com o Método dos Elementos Finitos, uma solução para a vedação do óleo lubrificante desses equipamentos, utilizando um ferrofluido como barreira à passagem do vapor de óleo. O estudo bibliográfico realizado revelou que a aplicação do ferrofluido em mancais é bastante explorada em equipamentos de precisão por garantir ao material vedante rigidez suficiente para garantir a vedação e viscosidade, reduzindo assim o atrito entre as partes. A análise por elementos finitos vem auxiliar no desenvolvimento do projeto da vedação. Uma vez que o ferrofluido servirá apenas de barreira quando exposto a um campo magnético, em linhas gerais o mancal nada mais é do que um concentrador do campo magnético na região de interesse. Dessa forma, a simulação numérica possibilita melhorar o projeto tornando possível avaliar diversos modelos de circuitos magnéticos, sem a necessidade de construção de diversos protótipos. Como resultados do trabalho, tem-se a realização do modelamento por elementos finitos do mancal e de suas partes magnéticas e a verificação da densidade de campo magnético no ferrofluido. Ainda é apresentada a validação experimental do modelo numérico, através de medições do campo magnético no entorno de um protótipo de vedação, mostrando que a simulação numérica e o modelo proposto são capazes de representar o modelo real do mancal.

Abstract

Plain bearings are devices used in large equipment, for example in generator shafts of hydroelectric power plants. For this application, some type of lubricant oil is commonly used in order to reduce both friction and heating of the sliding parts. However, in such application, the lubricant oil film is exposed not only to high temperature caused by friction between sliding parts, but also to high tangential velocity due to the dimensions of the shaft. These factors contribute to the atomization and spraying effect of the lubricant oil in the bearing, generating a kind of vapor which is then projected onto the other parts of the equipment, and may cause failures in other systems and even accidents at work. The literature presents some attempts to solve the problem, but, up to now, none of them has achieved this goal. Thus, the present dissertation proposes, from numerical studies with the Finite Element Method, a sealing solution for the lubricant oil of these equipments, using a ferrofluid as a barrier to the passage of oil vapor. The literature review showed that the application of ferrofluid in bearings is vastly explored in precision equipment because it provides enough stiffness to the sealing material, in such a way it guarantees the seal and viscosity, thus reducing the friction between the parts. The finite element analysis, used as a tool, helps develop the design of the fence. Since ferrofluid will serve only as a barrier when exposed to a magnetic field, in general, the bearing assembly is just a concentrator of the magnetic field in the region of interest. Thus, the numerical simulation makes it possible to optimize the design, allowing the evaluation of several models of magnetic circuits, without the need to construct several prototypes. As results of the work, we have the finite element modeling of the bearing and its magnetic parts, and also the verification of the magnetic field density in the ferrofluid. Experimental validation of the numerical model is also presented. This is done by means of measurements of the magnetic field surrounding a prototype of the fence, showing that the numerical simulation and the proposed model are able to represent the actual model of the bearing.

Data da defesa: 17/03/2017

Banca Examinadora

Orientador (a): Luiz Alkimin de Lacerda (Lactec)
Membro da Banca: Renato de Arruda Penteado Neto (Lactec)
Membro da Banca: Patricio Rodolfo Impinnisi (Lactec)
Membro da Banca: Marco Antonio Luersen (UTFPR)

Palavra(s)-Chave: Ferrofluido. Mancal magnético. Método dos elementos finitos. Vapor de óleo. Validação experimental.

Keywords: Ferrofluid. Magnetic bearing. Finite Element Method. Oil vapor. Experimental validation.

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