ISO 21940-12: Vibração mecânica – Balanceamento de rotores – Parte 12: Procedimentos e tolerâncias para rotores com comportamento flexível

Resumo

A ISO 21940-12 aborda o complexo desafio de equilibrar rotores flexíveis. Um rotor flexível é aquele cuja forma e distribuição de desequilíbrio mudam significativamente com a velocidade de rotação, particularmente à medida que se aproxima e passa pela sua curvatura velocidades críticasAo contrário dos rotores rígidos (abordados na Parte 11), um rotor flexível não pode ser balanceado em baixa velocidade e deve permanecer balanceado em sua alta velocidade de serviço. Esta norma fornece os procedimentos especializados, multivelocidade e multiplano necessários para balancear adequadamente esses sistemas rotativos complexos, comuns em máquinas de alto desempenho, como turbinas a gás, compressores e rolos industriais longos.

Índice (Estrutura Conceitual)

A norma fornece uma estrutura para entender e executar os métodos avançados necessários para o balanceamento flexível do rotor:

1. 1. Âmbito e classificação dos rotores flexíveis:

   Este capítulo inicial define o escopo da norma, afirmando que ela se aplica a rotores que apresentam comportamento flexível, ou seja, sua distribuição de desbalanceamento e/ou forma defletida mudam com a velocidade. Ele introduz um sistema de classificação crucial para categorizar esses rotores com base em suas características dinâmicas, o que é essencial para a seleção da estratégia de balanceamento apropriada. As classes variam de:

   • Classe 1: Rotores rígidos (coberto pela ISO 21940-11).
   • Classe 2: Rotores quase rígidos, que podem ser balanceados em baixa velocidade, mas podem exigir balanceamento de compensação na velocidade de serviço.
   • Classe 3: Rotores que exigem balanceamento em várias velocidades, muitas vezes usando o coeficiente de influência método, normalmente passando por uma ou mais velocidades críticas.
   • Classe 4 e 5: Rotores altamente flexíveis, como os de grandes geradores de turbina, que exigem técnicas avançadas de balanceamento modal para corrigir múltiplos modos de flexão.

   Essa classificação fornece uma maneira sistemática de determinar a complexidade da tarefa de balanceamento e os procedimentos necessários para obter um equilíbrio bem-sucedido em toda a faixa de velocidade operacional.

2. 2. Procedimentos de balanceamento:

   Este capítulo constitui o núcleo técnico da norma, detalhando os procedimentos avançados e multiestágios necessários para rotores flexíveis. Ele explica que um simples balanceamento de baixa velocidade é insuficiente e deve ser complementado com técnicas de alta velocidade para levar em conta a flexão do rotor. A norma descreve duas metodologias principais:

   • O Coeficiente de influência Método: Esta é uma técnica versátil e amplamente utilizada. Envolve um processo sistemático de colocação de um peso de teste conhecido em um plano de correção por vez e medição da resposta de vibração resultante (amplitude e fase) em múltiplos locais e em múltiplas velocidades. Este processo é repetido para cada plano de correção. Os dados coletados são usados para calcular uma matriz de "coeficientes de influência", que define matematicamente como um desequilíbrio em qualquer plano afeta a vibração em qualquer ponto e velocidade de medição. Um computador então usa essa matriz para calcular o conjunto de pesos de correção e seus posicionamentos angulares necessários em todos os planos para minimizar simultaneamente a vibração em toda a faixa de velocidade.
   • Balanceamento modal: Este é um método fisicamente mais intuitivo que trata cada modo de flexão do rotor como um problema de desequilíbrio separado. O procedimento envolve a operação do rotor em ou próximo a uma velocidade crítica específica para excitar ao máximo o modo de vibração correspondente. Medições de vibração são realizadas para identificar a localização do "ponto pesado" para aquele modo, e pesos de correção são colocados nos pontos de deflexão máxima (anti-nós) daquele modo de vibração para neutralizá-lo. Este processo é então repetido sequencialmente para cada modo de flexão significativo dentro da faixa de velocidade operacional do rotor, equilibrando efetivamente o rotor um modo de cada vez.
3. 3. Especificação de tolerâncias de equilíbrio:

   Este capítulo explica que as tolerâncias simples de grau G usadas para rotores rígidos são frequentemente insuficientes para rotores flexíveis. Em vez disso, apresenta critérios de tolerância mais abrangentes, que podem ser baseados em vários fatores, incluindo:

   • Limites no desequilíbrio modal residual para cada modo de flexão significativo.
   • Limites nas amplitudes absolutas de vibração do eixo em locais e velocidades específicas (especialmente na velocidade de serviço).
   • Limites nas forças transmitidas aos rolamentos.
4. 4. Verificação do Estado do Saldo Final:

   Esta seção final detalha os critérios de aceitação para um rotor flexível balanceado com sucesso. Ao contrário de um rotor rígido, que só precisa de verificação em uma velocidade, um rotor flexível deve ser confirmado para estar em balanceamento em toda a sua faixa de velocidade de operação. Após a aplicação dos pesos de correção finais, o rotor é submetido a um teste de aceleração final. Durante esse teste, a vibração é monitorada continuamente em locais-chave (como rolamentos e pontos de deflexão máxima). A norma especifica que o rotor é considerado aceitavelmente balanceado somente se a vibração medida permanecer abaixo dos limites de tolerância predefinidos em todas as velocidades, particularmente ao passar por suas velocidades críticas e ao permanecer na velocidade máxima de operação contínua. Essa verificação abrangente garante que o comportamento dinâmico complexo do rotor tenha sido controlado de forma eficaz.

Conceitos-chave

• Comportamento flexível vs. rígido: A distinção fundamental. Um rotor é flexível se sua velocidade de operação for uma fração significativa (tipicamente >70%) de sua primeira frequência natural de flexão (velocidade crítica). À medida que o rotor gira mais rápido, forças centrífugas o fazem dobrar, alterando seu desequilíbrio.
• Velocidades críticas e formas modais: Compreender as velocidades críticas do rotor e os "modos de rotação" associados (a forma que o rotor assume nessa velocidade) é essencial para um balanceamento flexível do rotor. Cada modo deve ser tratado como um problema de balanceamento separado.
• Balanceamento multiplano e multivelocidade: A metodologia principal. Ao contrário dos rotores rígidos, que podem ser balanceados em dois planos a uma velocidade baixa, os rotores flexíveis exigem correções em múltiplos planos e medições em múltiplas velocidades para garantir uma operação suave em toda a faixa de velocidade.
• Balanceamento modal: Uma técnica poderosa em que pesos são adicionados para neutralizar especificamente o desequilíbrio associado a cada modo de flexão. Por exemplo, para equilibrar o primeiro modo de flexão, pesos são colocados no ponto de deflexão máxima para aquele modo.

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