ISO 21940-12: Vibrazioni meccaniche – Bilanciamento del rotore – Parte 12: Procedure e tolleranze per rotori con comportamento flessibile

Riepilogo

La norma ISO 21940-12 affronta la complessa sfida del bilanciamento rotori flessibiliUn rotore flessibile è un rotore la cui forma e distribuzione dello squilibrio cambiano significativamente con la velocità di rotazione, in particolare quando si avvicina e attraversa la sua curvatura. velocità criticheA differenza dei rotori rigidi (trattati nella Parte 11), un rotore flessibile non può essere bilanciato a bassa velocità e non ci si può aspettare che rimanga in equilibrio alla sua elevata velocità di servizio. Questa norma fornisce le procedure specializzate, multivelocità e multipiano, necessarie per bilanciare correttamente questi complessi sistemi rotanti, comuni in macchinari ad alte prestazioni come turbine a gas, compressori e lunghi cilindri industriali.

Indice (struttura concettuale)

Lo standard fornisce un quadro per comprendere ed eseguire i metodi avanzati richiesti per il bilanciamento flessibile del rotore:

1. 1. Ambito e classificazione dei rotori flessibili:

   Questo capitolo iniziale definisce l'ambito di applicazione della norma, affermando che si applica ai rotori che presentano un comportamento flessibile, ovvero la distribuzione dello sbilanciamento e/o la forma deformata variano con la velocità. Introduce un sistema di classificazione fondamentale per classificare questi rotori in base alle loro caratteristiche dinamiche, essenziale per la selezione della strategia di bilanciamento appropriata. Le classi variano da:

   • Classe 1: Rotori rigidi (coperto dalla norma ISO 21940-11).
   • Classe 2: Rotori quasi rigidi, che possono essere bilanciati a bassa velocità ma potrebbero richiedere un bilanciamento di assetto alla velocità di servizio.
   • Classe 3: Rotori che richiedono il bilanciamento a più velocità, spesso utilizzando il coefficiente di influenza metodo, che in genere passa attraverso una o più velocità critiche.
   • Classe 4 e 5: Rotori altamente flessibili, come quelli dei grandi generatori a turbina, che richiedono tecniche avanzate di bilanciamento modale per correggere molteplici modalità di flessione.

   Questa classificazione fornisce un metodo sistematico per determinare la complessità del compito di bilanciamento e le procedure necessarie per ottenere un bilanciamento efficace nell'intero intervallo di velocità operativa.

2. 2. Procedure di bilanciamento:

   Questo capitolo costituisce il nucleo tecnico della norma, descrivendo in dettaglio le procedure avanzate e multistadio necessarie per i rotori flessibili. Spiega che un semplice bilanciamento a bassa velocità non è sufficiente e deve essere integrato con tecniche ad alta velocità per tenere conto della flessione del rotore. La norma delinea due metodologie principali:

   • Il Coefficiente di influenza Metodo: Si tratta di una tecnica versatile e ampiamente utilizzata. Si basa su un processo sistematico di posizionamento di un peso di prova noto su un piano di correzione alla volta e di misurazione della risposta vibrazionale risultante (ampiezza e fase) in più punti e a diverse velocità. Questo processo viene ripetuto per ciascun piano di correzione. I dati raccolti vengono utilizzati per calcolare una matrice di "coefficienti di influenza", che definisce matematicamente come uno squilibrio in qualsiasi piano influenzi la vibrazione in qualsiasi punto di misura e a qualsiasi velocità. Un computer utilizza quindi questa matrice per calcolare l'insieme dei pesi di correzione e il loro posizionamento angolare necessario su tutti i piani per ridurre al minimo simultaneamente le vibrazioni nell'intero intervallo di velocità.
   • Bilanciamento modale: Si tratta di un metodo fisicamente più intuitivo che tratta ogni modo di flessione del rotore come un problema di sbilanciamento separato. La procedura prevede il funzionamento del rotore a una velocità critica specifica o in prossimità di essa per eccitare al massimo la forma modale corrispondente. Vengono effettuate misurazioni delle vibrazioni per identificare la posizione del "punto pesante" per quel modo, e vengono posizionati pesi di correzione nei punti di massima deflessione (antinodi) per quel modo per contrastarlo. Questo processo viene quindi ripetuto in sequenza per ogni modo di flessione significativo all'interno dell'intervallo di velocità operativa del rotore, bilanciando efficacemente il rotore un modo alla volta.
3. 3. Specifica delle tolleranze di bilanciamento:

   Questo capitolo spiega come le semplici tolleranze di grado G utilizzate per i rotori rigidi siano spesso insufficienti per i rotori flessibili. Introduce invece criteri di tolleranza più completi, che possono essere basati su diversi fattori, tra cui:

   • Limiti sullo squilibrio modale residuo per ogni modo di flessione significativo.
   • Limiti sulle ampiezze assolute delle vibrazioni dell'albero in punti e velocità specifici (in particolare alla velocità di servizio).
   • Limiti delle forze trasmesse ai cuscinetti.
4. 4. Verifica dello stato di saldo finale:

   Questa sezione finale descrive in dettaglio i criteri di accettazione per un rotore flessibile correttamente bilanciato. A differenza di un rotore rigido, che necessita di verifica solo a una velocità, un rotore flessibile deve essere verificato in equilibrio per l'intero intervallo di velocità di funzionamento. Dopo l'applicazione dei pesi di correzione finali, il rotore viene sottoposto a un test di accelerazione finale. Durante questo test, le vibrazioni vengono monitorate costantemente in punti chiave (come cuscinetti e punti di massima deflessione). La norma specifica che il rotore è considerato accettabilmente bilanciato solo se le vibrazioni misurate rimangono al di sotto dei limiti di tolleranza predefiniti a tutte le velocità, in particolare durante il passaggio attraverso le velocità critiche e durante il mantenimento della massima velocità di funzionamento continua. Questa verifica completa garantisce che il complesso comportamento dinamico del rotore sia stato efficacemente controllato.

Concetti chiave

• Comportamento flessibile vs. rigido: La distinzione fondamentale. Un rotore è flessibile se la sua velocità operativa è una frazione significativa (tipicamente >70%) della sua prima frequenza naturale di flessione (velocità critica). Quando il rotore gira più velocemente, le forze centrifughe ne causano la flessione, modificandone lo sbilanciamento.
• Velocità critiche e forme modali: Comprendere le velocità critiche del rotore e le relative "forme modali" (la forma che il rotore assume a quella velocità) è essenziale per un bilanciamento flessibile del rotore. Ogni modalità deve essere trattata come un problema di bilanciamento separato.
• Bilanciamento multi-piano e multi-velocità: La metodologia di base. A differenza dei rotori rigidi, che possono essere bilanciati su due piani a una sola bassa velocità, i rotori flessibili richiedono correzioni su più piani e misurazioni a più velocità per garantire un funzionamento regolare nell'intero intervallo di velocità.
• Bilanciamento modale: Una tecnica potente in cui vengono aggiunti pesi per contrastare specificamente lo squilibrio associato a ciascuna modalità di flessione. Ad esempio, per bilanciare la prima modalità di flessione, i pesi vengono posizionati nel punto di massima deflessione per quella modalità.

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