ES2285435T3 - Metodo y dispositivo para balancear rotores sin cojinete. - Google Patents

Metodo y dispositivo para balancear rotores sin cojinete. Download PDF

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ES2285435T3 ES04716207T ES04716207T ES2285435T3 ES 2285435 T3 ES2285435 T3 ES 2285435T3 ES 04716207 T ES04716207 T ES 04716207T ES 04716207 T ES04716207 T ES 04716207T ES 2285435 T3 ES2285435 T3 ES 2285435T3
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Abstract

Método para balancear rotores (2) sin cojinete, en virtud del cual el rotor (2) que cuenta con un taladro (6) se dispone sobre un mandril de apoyo (5) de un dispositivo de balanceo, y un fluido -que al menos parcialmente se introduce a través del interior del mandril- pasa entre las superficies enfrentadas del rotor y del mandril, y el rotor (2) se pone en rotación de modo que las vibraciones del mandril (5) inducidas por el desequilibrio se emplean para determinar el propio equilibrio, el rotor (2) siendo sostenido por un líquido en una primera sección de apoyo en dirección radial y en una segunda sección de apoyo en dirección axial mediante un fluido, siendo el apoyo en la primera sección de apoyo hidrostático, caracterizado por el hecho de que en la segunda sección de apoyo el rotor (2) es sustentado hidrodinámicamente gracias a un fluido que se evacua de la primera sección de apoyo y alimentado sin presión, y por el hecho de que la evacuación del fluido se lleva a cabo, al menos parcialmente, a través del interior del mandril de apoyo.

Description

Método y dispositivo para balancear rotores sin cojinete.
El presente invento hace referencia a un método para balancear rotores sin cojinete según el concepto general empleado en la reivindicación 1 y a un soporte con un mandril de apoyo para sustentar un rotor sin cojinete y con taladro en un dispositivo de balanceo según el concepto general de la reivindicación 7.
Un rotor con cojinete puede balancearse con precisión gracias a los puntos de apoyo distribuidos en el propio cojinete. Sin embargo, los rotores sin puntos de apoyo propios-que deben colocarse sobre un árbol auxiliar para poder equilibrarlos- presentan problemas para alcanzar una calidad de balanceo satisfactoria.
Los conceptos generales empleados en las reivindicaciones 1 y 6 se basan en el estado de la técnica según US-A-4.543.825. Dicha patente documenta un procedimiento y un dispositivo para balancear rotores sin cojinete; comprende un puente oscilante con muelle sobre el que se dispone verticalmente un mandril de apoyo no rotativo, el cual tiene un conducto de alimentación central del que parten varios conductos que se bifurcan en distintos planos radiales. En el pie del mandril de apoyo se encuentra un disco -perpen-
dicular al eje del mandril- que dota a éste de un apoyo axial. Dicho disco recibe asimismo la carga de los conductos que desembocan en la superficie de apoyo. El conducto de alimentación central y los conductos pasantes del disco se alimentan mediante uniones adecuadas con un fluido apropiado -como aire comprimido, agua o aceite-, generando secciones de apoyo estáticas que permiten afianzar el rotor a balancear en dirección axial y radial. No se han proyectado equipos para evacuar los fluidos alimentados en las secciones de apoyo; en el caso de utilizar aire comprimido como fluido, además, dicha evacuación no es necesaria. En cambio, si accede fluido al soporte, el humedecimiento del rotor producido por las fugas de fluido a través de las fisuras del equipo puede provocar que las mediciones sean erróneas.
La patente DE 4441951 propone un mandril basculante para alojar y dirigir un cuerpo hueco que deba balancearse, de tal modo que entre el eje del mandril y un tope axial se colocan cojinetes neumáticos, los cuales están conectados con la conducción de aire interna del mandril basculante. El cojinete neumático estático del tope axial consta de una junta esférica y de una esfera hueca (que se complementa con ésta) con un apoyo plano para afianzar el rotor.
El invento persigue el objetivo de crear un método y un dispositivo para balancear rotores sin cojinete, además de conseguir una alta precisión en la determinación del desequilibrio en rotores que sólo pueden apoyarse en una parte de su extensión axial.
Según el invento y conforme a las características de las reivindicaciones 1 y 6 puede considerarse que dicho objetivo ha sido alcanzado.
Por primera vez pueden balancearse con alta precisión rotores sin cojinete cuya extensión longitudinal sólo está parcialmente disponible para el apoyo. Esto es posible porque el invento garantiza una alta rigidez de apoyo y fija el eje del rotor de manera muy precisa, lo que permite que el rotor funcione suavemente. Mediante la sustentación por fluido según el invento se garantiza, además, la diferenciación requerida del desequilibrio en relación a los planos de equilibrio.
Como la mayoría de la alimentación y la evacuación se efectúa a través del interior del mandril, la precisión de las mediciones no se ve afectada por el fluido.
El invento prevé que el dispositivo se afiance tanto en la primera como en la segunda sección de apoyo gracias al fluido (preferentemente un aceite o un fluido oleoso), lo que facilita tanto la alimentación como la evacuación del mismo.
El apoyo axial del rotor en la segunda sección de apoyo tiene lugar hidrodinámicamente (de manera preferente), ya que de ese modo puede suministrarse el fluido de apoyo de manera relativamente sencilla.
Dado que en la segunda sección de apoyo el rotor descansa sobre superficies esféricas, las eventuales excentricidades respecto del plano de la superficie de apoyo axial no pueden producir un desplazamiento del eje del rotor. El apoyo esférico permite que el ángulo de apoyo varíe, por lo que las desviaciones respecto del plano acaban compensándose, de modo que el momento de coacción que actúa sobre el eje es nulo.
A partir de este punto, el invento va a ilustrarse más detalladamente con la ayuda de ejemplos:
Figura 1 Esquema de un soporte con mandril para rotor con taladro ciego en un dispositivo de balanceo;
Figura 2 Sección longitudinal según la línea II-II (Fig. 3) de una primera forma de realización del mandril de apoyo;
Figura 3 Planta del mandril de apoyo de la figura 2;
Figura 4 Otra sección del mandril de apoyo de la figura 2;
Figura 5 Sección longitudinal de otra forma de realización del mandril de apoyo;
Figura 6 Sección transversal del mandril de apoyo de la figura 5;
Figura 7 Otra sección longitudinal del mandril de apoyo de la figura 5.
El soporte (representado en la figura 1) para un rotor 2 que debe inspeccionarse (en la figura 1 en línea discontinua) está fijado a un puente oscilante 3 de un dispositivo de balanceo. Por lo general, el puente oscilante 3 se fija (aunque permitiendo la oscilación) mediante cuatro flejes de apoyo 4 -de los que aquí sólo vemos dos- sobre la estructura del dispositivo de balanceo. El rotor 2 se pone en rotación mediante un accionamiento (no representado). Se miden los desequilibrios que esto provoca en el puente oscilante 3, que permitirán calcular el desequilibrio que sufre el propio rotor 2.
El soporte cuenta con un mandril de apoyo 5 sobre el que se coloca el rotor 2 que debe comprobarse (o ser equilibrado).
En el ejemplo de ejecución según la figura 1, el rotor 2 cuenta con un taladro central 6 sin salida, es decir, un taladro ciego, gracias al cual tiene lugar el apoyo sobre el mandril 5 colocado verticalmente. El centro de gravedad S del rotor 2 se localiza en la dirección del eje pero fuera de la extensión del taladro ciego, es decir, fuera de la zona de apoyo. El taladro ciego está escalonado, por lo que cuenta con cuatro secciones de distinto diámetro. Tanto la primera sección (contando desde la cara inferior del rotor) como la cuarta (situada al final del taladro ciego) están proyectadas para afianzar el rotor 2 mediante el cojinete de fluido que se encuentra en dirección radial en una primera sección sobre el mandril de apoyo 5. El apoyo del rotor 2 sobre el cojinete de fluido en una segunda sección (dirección axial) tiene lugar sobre la cara frontal del rotor y los planos o unidades constructivas del mandril de apoyo 5. El fluido empleado en este ejemplo de realización es, tanto en la primera como en la segunda sección de apoyo, un aceite (o un fluido oleoso) o cualquier otro fluido lubrificante adecuado.
El mandril de apoyo 5 cuenta en su superficie con orificios primarios 10 (Figuras 2 y 7) que permiten el paso de fluido y que están conectados con los conductos de alimentación de fluido 11 del interior del mandril. En dicha superficie también se encuentran los orificios secundarios 20, que en este caso permiten la salida de fluido al estar conectados con los conductos de evacuación 21 del interior del mandril. Los orificios primarios 10 están situados en dos planos de apoyo axiales 7 y 8 separados entre sí, que se corresponden con la primera y la cuarta sección del taladro ciego del rotor 2 y sobre los que dicho rotor 2 se apoya en dirección radial. El mandril de apoyo 5 cuenta con una unión 9 en uno de sus extremos, mediante la cual se fija el mismo al puente oscilante 3.
En las representaciones del mandril de apoyo 5 de las figuras 2, 3 y 4, la alimentación de fluido tiene lugar, para cada plan de apoyo 7 y 8, a través de cuatro tramos de conductos de alimentación 11' equidistantes entre sí, distribuidos en un arco de circunferencia y paralelos al eje del mandril. Además, están unidos con los tramos de conductos de alimentación 11'', que discurren en dirección radial y que mueren en los orificios primarios 10 de cada uno de los planos de apoyo 7 y 8. Los 8 tramos de conductos de alimentación 11' que discurren en dirección axial desembocan en una de las cámaras de fluido 15 (preferentemente cámaras anulares), las cuales se encuentran en la cara inferior del mandril de apoyo 5. La cámara anular está unida a una entrada de fluido y se encuentra en una pieza constructiva 14 unida herméticamente al mandril de apoyo 5 y que constituye una parte del puente de oscilación 3. Naturalmente, la pieza constructiva 14 y el mandril de apoyo 5 pueden formar una sola pieza.
Los tramos de conductos de entrada 11' -que circulan paralelos al eje del mandril de apoyo- cuentan con segmentos de estrangulamiento que reducen la sección transversal para conseguir un efecto obturador sobre el fluido. La sección transversal, y por tanto el efecto obturador, puede ajustarse fácilmente a lo largo de la longitud del estrangulador. Además, puede proyectarse que los tramos de conducto radiales 11'' correspondientes también tengan obturador.
Para la evacuación de fluido a través de los orificios 20 se ha previsto, en la presente configuración del mandril de apoyo, un taladro pasante central 21' como parte del conducto de evacuación 21, en el que desembocan varios taladros radiales 21'' a la altura de varios planos transversales, como puede observarse en la figura 4. Dichos planos transversales están situados entre los dos planos de apoyo 7 y 8. En la segunda sección de apoyo -que sirve para sustentar el rotor en dirección axial- se encuentran varios orificios 20 para evacuar el fluido; dichos orificios están conectados con el conducto central 21' mediante los canales radiales y oblicuos 21'''. El conducto central 21' desemboca en la cámara de fluido 16, que hace las veces de cámara central, y que asimismo está situada bajo la superficie inferior del mandril de apoyo 5. La cámara de fluido central comunica a su vez con el sistema de purga y, como la cámara anular, se encuentra en la pieza constructiva 14, que está unida herméticamente al mandril de apoyo 5.
En otra configuración del mandril de apoyo 5
-representada en las figuras 5, 6 y 7-, la alimentación de fluido para los planos 7 y 8 también tiene lugar a través de cuatro tramos de conductos de alimentación 11' equidistantes entre sí, distribuidos en un arco de circunferencia y paralelos al eje del mandril. Además, también están unidos con los tramos de conductos de alimentación 11'', que discurren en dirección radial. La diferencia con la solución de ejecución propuesta anteriormente radica en que los tramos de conductos de alimentación 11' axiales desembocan en la cámara central, que en este caso constituye la cámara primaria 15 para la entrada de fluido. El efecto estrangulador se ajusta del mismo modo que en la configuración anterior.
En este caso, la evacuación de fluido no sucede a través de un conducto central que esté comunicado con todos los orificios de salida 20. En lugar de eso, se ha optado por cuatro taladros pasantes 31, equidistantes entre sí, situados sobre un arco de circunferencia, paralelos al eje del mandril y conectados cada uno de ellos -a la altura de varios planos transversales- a un orificio de salida 20. Dichos orificios están situados sobre el perímetro del mandril de apoyo, tal y como puede observarse en las figuras 5 y 6. Así pues, los orificios 20 -cada uno de ellos asignado a un taladro pasante 31- están alineados sobre una línea paralela a la generatriz del mandril de apoyo. Análogamente a la solución anterior, en la sección de apoyo secundaria se encuentran varios orificios 20 de evacuación (en este caso 4). Cada uno de ellos está conectado con el taladro pasante 31 más cercano a través de un canal oblicuo y radial 31'''. Los cuatro taladros pasantes 31 desembocan en la cámara secundaria 16 -de diseño anular- situada en la cara inferior del mandril de apoyo 5. La cámara anular está unida con el conducto de purga del fluido y se encuentra, al igual que la cámara central, en la pieza constructiva 14 unida herméticamente al mandril de apoyo.
El número y la disposición de los orificios de alimentación 10 de las áreas de apoyo pueden variar en otras realizaciones del invento distintas de las aquí descritas. La forma y el peso del rotor, así como el fluido utilizado, determinan el efecto de estrangulamiento.
El número y la distribución de los orificios de evacuación en las realizaciones descritas son tan sólo un ejemplo. Ambos factores dependen del fluido empleado y de la disposición del rotor y los apoyos.
El mandril de apoyo 5 está unido a una unidad constructiva 40 por el extremo donde se sitúa su unión 9; dicha unidad constructiva 40 ayuda a sostener el rotor 2 en dirección axial y favorece asimismo la alimentación de fluido en dicha dirección de apoyo. Cuenta además con una bancada 41 -que está unida con la unión 9 del mandril de apoyo 5- sobre la que está fijada la cara de unión enfrentada al mandril 5. La bancada constituye la base de dos carcasas 42, 43; la primera (42) es exterior, mientras que la segunda (43) es interior, de diámetro menor y coaxial a la primera. La altura de la carcasa exterior 42 se dimensiona de forma que la parte del rotor que entra en la carcasa quede abarcada por la misma (dejando una pequeña distancia radial). La altura de la carcasa interior 43 se dimensiona de forma que haya un caudal de fluido suficiente para que se dé una lubricación hidrodinámica del apoyo axial en la carcasa interior 43.
La bancada 41 de la unidad constructiva 40 constituye asimismo la superficie de apoyo para el soporte axial del rotor 2 con su cara frontal. Ambas superficies están diseñadas de tal modo que se garantiza la sustentación hidrodinámica del rotor 2 mediante el caudal de fluido acumulado en el interior de la carcasa 43. La bancada 41 y la carcasa interior 43 cuentan con las escotaduras 44, mediante las cuales la carcasa interior 43 se conecta con los conductos de evacuación 21 (o 31) del mandril de apoyo 5. El nivel del fluido en la carcasa 43 puede regularse fácilmente mediante la purga de fluido y las conducciones de evacuación 21 (o 31). El exceso de fluido pasa de la carcasa exterior 42 a un depósito de reserva a través de una conducción de salida 45.
En la realización representada en la figura 1, el rotor 2 posee una superficie frontal plana. Para formar un apoyo esférico, se sitúa un disco de apoyo 46 entre la superficie de apoyo de la bancada 41 y la superficie frontal del rotor 2. Dicho disco de apoyo 46 cuenta con una primera cara frontal plana y una segunda cara frontal esférica que, junto a la cavidad complementaria con que cuenta la bancada 41, forma el apoyo esférico requerido. Dicho apoyo esférico queda situado en el interior de la carcasa 43.
En lugar de la realización anteriormente descrita, que proponía un apoyo hidrodinámico con la intervención de un fluido, en algunos rotores puede optarse por llevar a acabo un apoyo axial hidrostático mediante, p.ej., un cojinete neumático. Resulta sencillo suministrar aire como fluido a la bancada 41 -unida con el mandril de apoyo 5 mediante la unión 9-, ya que basta con disponer orificios en la superficie de apoyo de la bancada 41. Además, el área de apoyo axial puede diseñarse de modo que pueda optarse bien por un apoyo hidrodinámico mediante fluido, bien por un apoyo hidrostático empleando aire.
La orientación del eje del mandril de apoyo -vertical, horizontal o cualquier posición intermedia- puede seleccionarse si se tiene en cuenta la configuración de la dirección de balanceo y el modo de admisión de los rotores, con admisión-expulsión automática, por ejemplo.
El apoyo sobre el puente oscilante permite llevar a cabo todas las mediciones necesarias para determinar el desequilibrio del rotor según altura y posición. La sustentación del puente oscilante puede desarrollarse para condiciones de funcionamiento supercríticas o subcríticas.
El invento no sirve exclusivamente para analizar rotores con taladros ciegos. Puede emplearse para balancear todos aquellos rotores que no posean cojinete propio, ya tengan taladros ciegos o pasantes, como p.ej. ruedas de compresores, volantes de inercia, etc. El invento resulta especialmente adecuado para rotores cuyo centro de gravedad queda fuera de la zona de apoyo en la dirección axial del taladro del rotor, lo cual suele suceder en rotores que sólo pueden apoyarse en una parte de su extensión axial.

Claims (20)

1. Método para balancear rotores (2) sin cojinete, en virtud del cual el rotor (2) que cuenta con un taladro (6) se dispone sobre un mandril de apoyo (5) de un dispositivo de balanceo, y un fluido -que al menos parcialmente se introduce a través del interior del mandril- pasa entre las superficies enfrentadas del rotor y del mandril, y el rotor (2) se pone en rotación de modo que las vibraciones del mandril (5) inducidas por el desequilibrio se emplean para determinar el propio equilibrio, el rotor (2) siendo sostenido por un líquido en una primera sección de apoyo en dirección radial y en una segunda sección de apoyo en dirección axial mediante un fluido, siendo el apoyo en la primera sección de apoyo hidrostático, caracterizado por el hecho de que en la segunda sección de apoyo el rotor (2) es sustentado hidrodinámicamente gracias a un fluido que se evacua de la primera sección de apoyo y alimentado sin presión, y por el hecho de que la evacuación del fluido se lleva a cabo, al menos parcialmente, a través del interior del mandril de apoyo.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el soporte tanto en la primera como en la segunda sección de apoyo se lleva a cabo mediante un fluido, preferentemente un aceite o un fluido oleoso.
3. Método según ambas reivindicaciones anteriores o una de ellas, caracterizado por el hecho de que la evacuación tiene lugar a través del interior del mandril de apoyo y mediante un conducto de evacuación (45) conectado a un depósito.
4. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que la sustentación en la primera sección de apoyo viene proporcionada por varios puntos de apoyo, dichos puntos formados entre la superficie que envuelve el mandril de apoyo y el taladro del rotor, de tal forma que el centro de gravedad S quede situado fuera de la zona de apoyo en dirección axial.
5. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que la sustentación en la segunda zona de apoyo viene proporcionada por superficies de apoyo esféricas.
6. Soporte con un mandril de apoyo (5) para sustentar un rotor (2) sin cojinete y con taladro (6) en un dispositivo de balanceo en al menos una primera sección de apoyo hidrostática con soporte en dirección radial y una segunda sección de apoyo con soporte en dirección axial, presentando el mandril de apoyo (5) orificios primarios (10) para el paso de fluido y estando dichos orificios primarios (10) conectados con los conductos de alimentación de fluido (11), caracterizado por el hecho de que se prevén orificios secundarios (20) en el mandril de apoyo (5) conectados a los conductos de evacuación (21, 31) de fluido, y por el hecho de que el rotor (2) es sustentado en la segunda sección de apoyo de manera hidrodinámica, estando rodeada dicha segunda sección de apoyo por una carcasa (43) cuyo cometido es recoger una reserva de fluido evacuado suficiente como para conseguir una lubricación hidrodinámica de la segunda sección de apoyo.
7. Soporte según la reivindicación 6, caracterizada por el hecho de que los orificios primarios (10) en la superficie exterior del mandril de apoyo se encuentran, al menos, en la primera y/o segunda sección de apoyo.
8. Soporte según la reivindicación 6, 7 o ambas, caracterizado por el hecho de que los orificios primarios (10) están situados en dos planos de apoyo axiales (7,8) del mandril de apoyo (5) separados entre
sí.
9. Soporte según una de las reivindicaciones 6, 7 u 8, caracterizado por el hecho de que los orificios primarios (10) se encuentran tanto en los dos planos de apoyo (7,8) axiales (separados entre sí) de la primera sección de apoyo, como en un plano de apoyo de la segunda sección de apoyo que sirve de sustentación axial.
10. Soporte según una de las reivindicaciones 6, 7, 8 ó 9, caracterizado por el hecho de que los orificios secundarios (20) lindan con los planos de apoyo (7,8) y/o están situados entre ellos.
11. Soporte según una de las reivindicaciones de la 6 a la 10, caracterizado por el hecho de que cada uno de los orificios primarios (10) y secundarios (20) está conectado con un tramo de conducto perpendicular al eje del mandril de apoyo (11'', 21'', 21''', 31'', 31''') y con un tramo de conducto paralelo al eje el mandril de apoyo (11', 21',31').
12. Soporte según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que los tramos de conducto perpendiculares y/o paralelos al eje del mandril de apoyo (11', 11'') de los conductos de alimentación cuentan con una sección de estrangulamiento de pequeño diámetro.
13. Soporte según una de las reivindicaciones de la 6 a la 12, caracterizado por el hecho de que cada tramo de conducto de alimentación (11) o de evacuación (21, 31) paralelo al eje del mandril de apoyo (11', 21', 31') desemboca en la correspondiente cámara de fluido (15 o 16) situada al final del mandril de apoyo, ya sea para la admisión de fluido o para su purga.
14. Soporte según la reivindicación 13, caracterizado por el hecho de que ambas cámaras de fluido (15, 16) están formadas por una cámara central y una cámara anular coaxial.
15. Soporte según la reivindicación 14, caracterizado por el hecho de que las cámaras de fluido (15, 16) se encuentran en una pieza constructiva (14) unida herméticamente al mandril de apoyo (5).
16. Soporte según una de las reivindicaciones de la 6 a la 15, caracterizado por el hecho de que se prevén preferentemente cuatro orificios (10, 20) distribuidos de manera equidistante en el perímetro del mandril de apoyo.
17. Soporte según una de las reivindicaciones de la 6 a la 16, caracterizado por el hecho de que el mandril de apoyo (5) está colocado verticalmente, y por el hecho de que el extremo del rotor que recibe el mandril de apoyo (5) es sustentado por un punto de apoyo esférico del mandril de apoyo (5) o por una unidad constructiva (40) unida al mismo.
18. Soporte según la reivindicación 17, caracterizado por el hecho de que se prevé un disco de apoyo (46) entre el extremo del rotor y el mandril de apoyo (5), o bien una unidad constructiva (40) unida al mandril de apoyo, presentando dicho disco de apoyo una superficie frontal plana y una en forma de junta esférica.
19. Soporte según la reivindicación 17, 18 o ambas, caracterizado por el hecho de que la sección final del rotor con el punto de apoyo de forma esférica (preferentemente) está rodeada por una carcasa (43) para recoger el exceso de fluido.
20. Soporte según la reivindicación 19, caracterizado por el hecho de que la carcasa (43) está rodeada por otra carcasa (42), contando ambas con conductos de evacuación (44, 45), estando conectado el de la carcasa interior (43) a la purga de fluido mediante los orificios (20) del mandril de apoyo (5).
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