ISO 21940-12: Vibración mecánica – Equilibrado de rotores – Parte 12: Procedimientos y tolerancias para rotores con comportamiento flexible

Resumen

La norma ISO 21940-12 aborda el complejo desafío de equilibrar rotores flexiblesUn rotor flexible es aquel cuya forma y distribución del desequilibrio cambian significativamente con la velocidad de rotación, particularmente a medida que se aproxima y pasa por su curvatura. velocidades críticasA diferencia de los rotores rígidos (tratados en la Parte 11), un rotor flexible no puede equilibrarse a baja velocidad y esperar que permanezca en equilibrio a su alta velocidad de servicio. Esta norma proporciona los procedimientos especializados, multivelocidad y multiplano, necesarios para equilibrar correctamente estos complejos sistemas rotatorios, comunes en maquinaria de alto rendimiento como turbinas de gas, compresores y rodillos industriales de gran longitud.

Tabla de Contenidos (Estructura Conceptual)

La norma proporciona un marco para comprender y ejecutar los métodos avanzados necesarios para el equilibrio flexible del rotor:

1. 1. Alcance y clasificación de los rotores flexibles:

   Este capítulo inicial define el alcance de la norma, indicando que se aplica a rotores con comportamiento flexible, es decir, su distribución de desequilibrio y/o forma desviada cambia con la velocidad. Introduce un sistema de clasificación crucial para categorizar estos rotores según sus características dinámicas, lo cual es esencial para seleccionar la estrategia de equilibrado adecuada. Las clases varían entre:

   • Clase 1: Rotores rígidos (cubierto por la norma ISO 21940-11).
   • Clase 2: Rotores cuasi-rígidos, que pueden equilibrarse a baja velocidad pero pueden requerir un equilibrio de compensación a la velocidad de servicio.
   • Clase 3: Rotores que requieren equilibrio a múltiples velocidades, a menudo utilizando el coeficiente de influencia método, que normalmente pasa por una o más velocidades críticas.
   • Clase 4 y 5: Rotores altamente flexibles, como los de los grandes generadores de turbinas, que requieren técnicas avanzadas de equilibrio modal para corregir múltiples modos de flexión.

   Esta clasificación proporciona una forma sistemática de determinar la complejidad de la tarea de equilibrio y los procedimientos necesarios para lograr un equilibrio exitoso en todo el rango de velocidad operativa.

2. 2. Procedimientos de equilibrio:

   Este capítulo constituye el núcleo técnico de la norma y detalla los procedimientos avanzados de múltiples etapas necesarios para rotores flexibles. Explica que un simple equilibrado a baja velocidad es insuficiente y debe complementarse con técnicas de alta velocidad para compensar la flexión del rotor. La norma describe dos metodologías principales:

   • En Coeficiente de influencia Método: Esta es una técnica versátil y ampliamente utilizada. Implica un proceso sistemático que consiste en colocar un peso de prueba conocido en un plano de corrección a la vez y medir la respuesta vibratoria resultante (amplitud y fase) en múltiples ubicaciones y a diferentes velocidades. Este proceso se repite para cada plano de corrección. Los datos recopilados se utilizan para calcular una matriz de "coeficientes de influencia", que define matemáticamente cómo un desequilibrio en cualquier plano afecta la vibración en cualquier punto de medición y velocidad. A continuación, una computadora utiliza esta matriz para determinar el conjunto de pesos de corrección y sus ubicaciones angulares necesarias en todos los planos para minimizar simultáneamente la vibración en todo el rango de velocidades.
   • Equilibrio modal: Este es un método más intuitivo desde el punto de vista físico que trata cada modo de flexión del rotor como un problema de desequilibrio independiente. El procedimiento implica hacer funcionar el rotor a una velocidad crítica específica o cercana a ella para excitar al máximo la forma modal correspondiente. Se miden las vibraciones para identificar la ubicación del punto de mayor deflexión de ese modo y se colocan pesos de corrección en los puntos de máxima deflexión (antinodos) para contrarrestarla. Este proceso se repite secuencialmente para cada modo de flexión significativo dentro del rango de velocidad de funcionamiento del rotor, equilibrando eficazmente el rotor modo por modo.
3. 3. Especificación de tolerancias de equilibrio:

   Este capítulo explica que las tolerancias simples de grado G utilizadas para rotores rígidos suelen ser insuficientes para rotores flexibles. En su lugar, introduce criterios de tolerancia más completos, que pueden basarse en varios factores, entre ellos:

   • Límites del desequilibrio modal residual para cada modo de flexión significativo.
   • Límites en las amplitudes absolutas de vibración del eje en ubicaciones y velocidades específicas (especialmente a la velocidad de servicio).
   • Límites de las fuerzas transmitidas a los cojinetes.
4. 4. Verificación del Estado del Balance Final:

   Esta sección final detalla los criterios de aceptación para un rotor flexible correctamente equilibrado. A diferencia de un rotor rígido, que solo requiere verificación a una velocidad, un rotor flexible debe confirmarse que esté equilibrado en todo su rango de velocidad de operación. Tras aplicar las pesas de corrección finales, el rotor se somete a una prueba de aceleración final. Durante esta prueba, se monitoriza continuamente la vibración en puntos clave (como cojinetes y puntos de máxima deflexión). La norma especifica que el rotor se considera aceptablemente equilibrado solo si la vibración medida se mantiene por debajo de los límites de tolerancia predefinidos a todas las velocidades, especialmente al pasar por sus velocidades críticas y al permanecer a la velocidad máxima de operación continua. Esta verificación exhaustiva garantiza que el complejo comportamiento dinámico del rotor se haya controlado eficazmente.

Conceptos clave

• Comportamiento flexible vs. comportamiento rígido: La distinción fundamental. Un rotor es flexible si su velocidad de operación es una fracción significativa (típicamente >70%) de su primera frecuencia natural de flexión (velocidad crítica). A medida que el rotor gira más rápido, las fuerzas centrífugas lo flexionan, alterando su desequilibrio.
• Velocidades críticas y formas de modo: Comprender las velocidades críticas del rotor y las formas de los modos de rotación asociados (la forma en que se dobla el rotor a esa velocidad) es esencial para un equilibrado flexible del rotor. Cada modo debe tratarse como un problema de equilibrado independiente.
• Equilibrio multiplano y multivelocidad: La metodología principal. A diferencia de los rotores rígidos, que pueden equilibrarse en dos planos a baja velocidad, los rotores flexibles requieren correcciones en múltiples planos y mediciones a múltiples velocidades para garantizar un funcionamiento fluido en todo el rango de velocidades.
• Equilibrio modal: Una técnica eficaz que consiste en añadir pesos para contrarrestar específicamente el desequilibrio asociado a cada modo de flexión. Por ejemplo, para equilibrar el primer modo de flexión, se colocan pesos en el punto de máxima deflexión de dicho modo.

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