ISO 21940-12: Mechanische trillingen – Rotorbalancering – Deel 12: Procedures en toleranties voor rotoren met flexibel gedrag

Samenvatting

ISO 21940-12 gaat de complexe uitdaging aan van het in evenwicht brengen flexibele rotorenEen flexibele rotor is een rotor waarvan de vorm en de verdeling van de onbalans aanzienlijk veranderen met de rotatiesnelheid, vooral als hij de bocht nadert en erdoorheen gaat. kritische snelhedenIn tegenstelling tot starre rotoren (behandeld in Deel 11), kan een flexibele rotor niet bij een lage snelheid worden gebalanceerd en kan niet worden verwacht dat deze bij een hoge bedrijfssnelheid in balans blijft. Deze norm beschrijft de gespecialiseerde procedures voor meerdere snelheden en vlakken die nodig zijn om deze complexe roterende systemen, die veel voorkomen in machines met hoge prestaties zoals gasturbines, compressoren en lange industriële rollen, correct te balanceren.

Inhoudsopgave (Conceptuele structuur)

De norm biedt een raamwerk voor het begrijpen en uitvoeren van de geavanceerde methoden die nodig zijn voor flexibele rotorbalancering:

1. 1. Toepassingsgebied en classificatie van flexibele rotoren:

   Dit eerste hoofdstuk definieert de reikwijdte van de norm en stelt dat deze van toepassing is op rotoren die flexibel gedrag vertonen, wat betekent dat hun onbalansverdeling en/of afgebogen vorm verandert met de snelheid. Het introduceert een cruciaal classificatiesysteem om deze rotoren te categoriseren op basis van hun dynamische eigenschappen, wat essentieel is voor het selecteren van de juiste balanceringsstrategie. De klassen variëren van:

   • Klasse 1: Starre rotoren (gedekt door ISO 21940-11).
   • Klasse 2: Quasi-rigide rotoren, die bij een lage snelheid gebalanceerd kunnen worden, maar bij normale snelheid mogelijk trimbalancering nodig hebben.
   • Klas 3: Rotoren die bij meerdere snelheden in balans moeten worden gebracht, vaak met behulp van de invloedscoëfficiënt methode, waarbij doorgaans één of meer kritische snelheden worden doorlopen.
   • Klas 4 en 5: Zeer flexibele rotoren, zoals die in grote turbinegeneratoren, die geavanceerde modale balanceringstechnieken vereisen om meerdere buigingsmodi te corrigeren.

   Deze classificatie biedt een systematische manier om de complexiteit van de balanceertaak en de benodigde procedures voor het bereiken van een succesvolle balancering over het gehele bedrijfssnelheidsbereik te bepalen.

2. 2. Balanceringsprocedures:

   Dit hoofdstuk vormt de technische kern van de norm en beschrijft de geavanceerde, meertraps procedures die nodig zijn voor flexibele rotoren. Het legt uit dat een eenvoudige balans op lage snelheid onvoldoende is en moet worden aangevuld met hogesnelheidstechnieken om rekening te houden met de buiging van de rotor. De norm beschrijft twee primaire methodologieën:

   • De Invloedcoëfficiënt Methode: Dit is een veelzijdige en veelgebruikte techniek. Het omvat een systematisch proces waarbij een bekend proefgewicht in één correctievlak tegelijk wordt geplaatst en de resulterende trillingsrespons (amplitude en fase) op meerdere locaties en bij meerdere snelheden wordt gemeten. Dit proces wordt voor elk correctievlak herhaald. De verzamelde gegevens worden gebruikt om een matrix van "invloedcoëfficiënten" te berekenen, die wiskundig definieert hoe een onbalans in een willekeurig vlak de trillingen beïnvloedt bij elk meetpunt en elke snelheid. Een computer gebruikt deze matrix vervolgens om de set correctiegewichten en hun hoekposities te bepalen die nodig zijn in alle vlakken om gelijktijdig de trillingen over het gehele snelheidsbereik te minimaliseren.
   • Modale balancering: Dit is een fysiek intuïtievere methode die elke buigmodus van de rotor als een afzonderlijk onbalansprobleem behandelt. De procedure houdt in dat de rotor op of nabij een specifieke kritische snelheid draait om de corresponderende vorm van de rotor maximaal te stimuleren. Trillingsmetingen worden uitgevoerd om de locatie van de "zware plek" voor die modus te identificeren, en correctiegewichten worden geplaatst op de punten met maximale afbuiging (buikomodes) voor die vorm van de rotor om dit tegen te gaan. Dit proces wordt vervolgens sequentieel herhaald voor elke significante buigmodus binnen het bedrijfssnelheidsbereik van de rotor, waardoor de rotor effectief één modus tegelijk in balans wordt gebracht.
3. 3. Specificatie van balanstoleranties:

   In dit hoofdstuk wordt uitgelegd dat de eenvoudige G-toleranties die voor starre rotoren worden gebruikt, vaak onvoldoende zijn voor flexibele rotoren. In plaats daarvan worden uitgebreidere tolerantiecriteria geïntroduceerd, die gebaseerd kunnen zijn op verschillende factoren, waaronder:

   • Limieten voor de resterende modale onbalans voor elke significante buigmodus.
   • Limieten voor de absolute trillingsamplitudes van de as op specifieke locaties en snelheden (met name bij de bedrijfssnelheid).
   • Limieten aan de overgedragen krachten op de lagers.
4. 4. Verificatie van de eindbalans:

   In dit laatste deel worden de acceptatiecriteria voor een succesvol gebalanceerde flexibele rotor beschreven. In tegenstelling tot een starre rotor, die slechts bij één snelheid hoeft te worden geverifieerd, moet bij een flexibele rotor worden bevestigd dat deze over het gehele toerentalbereik in balans is. Nadat de definitieve correctiegewichten zijn toegepast, wordt de rotor onderworpen aan een eindtest. Tijdens deze test worden trillingen continu gemeten op belangrijke locaties (zoals lagers en punten met maximale doorbuiging). De norm specificeert dat de rotor alleen als acceptabel gebalanceerd wordt beschouwd als de gemeten trillingen bij alle snelheden onder de vooraf gedefinieerde tolerantiegrenzen blijven, met name tijdens het passeren van de kritische snelheden en tijdens het aanhouden op de maximale continue bedrijfssnelheid. Deze uitgebreide verificatie garandeert dat het complexe dynamische gedrag van de rotor effectief is gecontroleerd.

Kernconcepten

• Flexibel versus rigide gedrag: Het fundamentele onderscheid. Een rotor is flexibel als de bedrijfssnelheid een significante fractie (meestal >70%) is van de natuurlijke frequentie van de eerste buiging (kritische snelheid). Naarmate de rotor sneller draait, zorgen centrifugale krachten ervoor dat hij buigt, waardoor de onbalans verandert.
• Kritische snelheden en modusvormen: Inzicht in de kritische snelheden van de rotor en de bijbehorende 'modevormen' (de vorm waarin de rotor bij die snelheid buigt) is essentieel voor flexibele rotorbalancering. Elke mode moet als een afzonderlijk balanceringsprobleem worden behandeld.
• Multi-Plane, Multi-Speed Balancering: De kernmethodologie. In tegenstelling tot starre rotoren, die in twee vlakken bij één lage snelheid kunnen worden gebalanceerd, vereisen flexibele rotoren correcties in meerdere vlakken en metingen bij meerdere snelheden om een soepele werking over het gehele snelheidsbereik te garanderen.
• Modale balancering: Een krachtige techniek waarbij gewichten worden toegevoegd om specifiek de onbalans die bij elke buigmodus hoort, tegen te gaan. Om bijvoorbeeld de eerste buigmodus te balanceren, worden gewichten geplaatst op het punt van maximale doorbuiging voor die modus.

← Terug naar hoofdindex