ITTO20011218A1

ITTO20011218A1 - Sistema per la misura dello squilibrio di rotori ,particolarmente di turbine per turbocompressori automobilistici.

Info

Publication number: ITTO20011218A1
Application number: IT2001TO001218A
Authority: IT
Inventors: Francesco Gregoretti; Leonardo Reyneri
Original assignee: Redat Spa
Priority date: 2001-12-24
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2003-06-24
Also published as: TW200411156A; CN1445521A; EP1326065A1; US20030115958A1; ITTO20011218A0

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema per la misura dello squilibrio di rotori, particolarmente di turbine per turbocompressori automobilistici"

La presente invenzione si riferisce ad un sistema per la misura dello squilibrio di rotori, particolarmente di turbine per turbocompressori automobilistici.

Gli attuali metodi di misura dello squilibrio dei rotori utilizzati nelle cosiddette macchine equilibratrici si basano essenzialmente sull'imporre al rotore un moto di rotazione intorno al suo asse meccanico, misurando l'ampiezza e la fase delle vibrazioni che il rotore non equilibrato impone a due supporti, liberi di muoversi su un piano o lungo un asse di riferimento.

L'ampiezza e la fase delle vibrazioni dipende sia dell'entità dello squilibrio del rotore, sia dalla sua velocità di rotazione (nota), sia da alcimi parametri geometrici e meccanici del rotore, tra cui massa, momento di inerzia e posizione del baricentro.

L'attuale misura degli squilibri è quindi una misura indiretta che avviene tramite la misura di dette vibrazioni.

La determinazione dei parametri di cui sopta, necessaria per risalire dalle misure di vibrazione all'entità ed alla posizione dello squilibrio, richiede vari accorgimenti, alcuni parametri non essendo noti a priori con sufficiente precisione.

Inoltre, alcuni parametri interni dello strumento di misura, in particolare le costanti elastiche e gli attriti dei supporti del rotore, possono influire significativamente sulla precisione della misura.

Negli strumenti commerciali usuali si utilizzano due metodi principali per conoscere le caratteristiche del rotore e/o i parametri interni dello strumento di misura:

1) si effettuano tre misurazioni consecutive: la prima del solo rotore, la seconda con l'aggiunta di materiale ad esempio materiale gommoso autoadesivo, di massa nota su un piano di riferimento, la terza misura con l'aggiunta di altro materiale su un àecondo piano di riferimento; dalla differenza tra;le tre misure effettuate è possibile ricavare l'entità e la posizione degli squilibri del rotore senza ponoscerne i parametri geometrici e meccanici e/o i parametri interni dello strumento;

2) quando si conosce la forma e la distribuzione delle masse all'interno del rotore e lo strumento di misura è stato caratterizzato con buona precisione, sono sufficienti alcune misure di peso e di dimensione del rotore per ricavare il valore dei parametri con sufficiente precisione.

Il primo dei metodi di cui sopra richiede sia opportune competenze e manualità da parte dell'operatore, quindi una sua buona formazione, sia una misura più laboriosa; complessivamente, con un Costo di misura decisamente elevato.

Il secondo dei metodi sopra descritti è applicabile solo ad alcune tipologie ben determinate di rotori e di strumenti di misura e quindi è poco generalizzabile.

In particolare, nel campo della misura dello squilibrio delle turbine dei turbocompressori per applicazioni automobilistiche si utilizza praticamente universalmente il primo dei metodi sopra citati .

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema per la misura dello squilibrio dei rotori, particolarmente di turbine per turbocompressori automobilistici, che ovvi ai suddetti inconvenienti, che sia di facile realizzazione, basso costo ed elevata precisione.

La presente invenzione raggiunge gli scopi suddetti grazie ad un sistema per la misura dello squilibrio di rotori, particolarmente di turbine per turbocompressori automobilistici, presentante le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono.

Prima di entrare nel merito dell'invenzione, occorre premettere alcune considerazioni.

Il sistema oggetto della presente invenzione si basa su un principio del tutto diverso da quelli descritti secondo la tecnica nota, ovvero sulla totale compensazione delle forze di inerzia dovute agli squilibri ed alla rotazione del rotore, tramite forze applicate esteriormente, alternate e sincrone con la rotazione del rotore, di entità e fase tali da annullare il più possibile le vibrazioni del rotore stesso.

Quando queste forze applicate equilibrano totalmente le forze di inerzia dovute agli squilibri, il rotore finisce le vibrazioni, la misura di dette forze applicate è una misura diretta dell'entità e della posizione angolare degli squilibri del rotore (riportati ai punti di applicazione delle forze esterne) e non richiede pertanto la conoscenza precisa dei parametri geometrici e meccanici del rotore, né dei parametri interni dello strumento di misura .

Invece, per riportare gli squilibri a punti diversi da quelli di applicazione delle forze - come normalmente richiesto dall'utilizzatore che solitamente esegue l'equilibratura su due piani di riferimento - è necessario conoscere anche la posizione del baricentro del rotore che può essere ricavata con metodi analoghi alla misura di squilibrio, come verrà poi descritto nel seguito.

E' quindi possibile misurare lo squilibrio in un'unica operazione, invece di tre, senza la conoscenza a priori della distribuzione di massa all'interno del rotore, con evidenti vantaggi di facilità e velocità di misura e di generalità di uso.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti nel corso della descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento al disegno annesso, in cui un rotore A viene appoggiato su due supporti B ed E, dotati di duscinetti a sfere equilibrati o altri mezzi atti a permettere la libra rotazione del rotore intorno al suo asse meccanico M; detto asse meccanico M è coincidente con un asse cartesiano X.

I supporti B ed E sono liberi di muoversi, almeno parallelamente ad un asse Y ortogonale all'asse X, e quindi perpendicolare all'asse di rotazione M.

La libertà di movimento può essere sia totale che vincolata ad un sistema elastico di forze, che tendano a riportare i supporti B ed E in una posizione nota di riferimento.

Un sistema di pulegge, cinghie o altri dispositivi H garantiscono la rotazione del rotore ad ima velocità nota co (espressa in radianti al secondo), preferibilmente fissa.

Due strumenti D e G, che possono essere accelerometri, sensori di velocità o sensori di posizione, misurano - direttamente o indirettamente - ad esempio tramite misure di velocità o di spostamento la componente parallela all'asse Y delle acceletazioni assolute ai, a2 dei supporti e quindi del rotore A, in corrispondenza dei punti di appoggio dell'asse del rotore M sui supporti B ed E.

Attuatori C, F impongono una coppia di forze Fi, F2 ai supporti B ed E e - tramite questi - al rotore nei punti di appoggio ai supporti stessi.

Gli attuatori possono essere ad esempio un magnete permanente disposto all'interno di un solenoide.

Supponiamo che siano:

K la posizione del baricentro del rotore, eventualmente non nota;

M la massa totale del rotore A e dei supporti B, E, eventualmente ignota;

J il momento di inerzia (eventualmente non noto) del rotore A, unito ai supporti B, E attorno all'asse Y passante per il baricentro K;

io la velocità angolare di rotazione del rotore A attorno al suo asse M;

Pi (rispettivamente, P2) la distanza con segno parallelamente all'asse di rotazione M, del supporto E (rispettivamente, il supporto B) dal baricentro K;

P la distanza fra i due supporti, ovvero P - Pi - P2;

Li (rispettivamente, L2) la distanza, parallelamente all'asse di rotazione M, dal baricentro K al piano Qi (rispettivamente, il piano Q2) sul quale riportare l'entità e la posizione angolare dello squilibrio;

Fi (rispettivamente, F2) la forza applicàta dall'attuatore F (rispettivamente, C); e

ai (rispettivamente, a2) l'accelerazione del supporto E (rispettivamente, B),

siano ancora:

Si (rispettivamente, S2) l'entità dello squilibrio riportato al piano Qi (rispettivamente, Q2) ; e Φι (rispettivamente, Φ2) la posizione angolare dello squilibrio, riportato al piano Qi (rispettivamente, Q2) .

La misura ha luogo in più fasi successive: a) (opzionale) a rotore fermo (ω = 0) si applica un primo sistema di forze (dove F0 è un'arbitraria forza di riferimento, ad esempio IN, e a un'arbitraria pulsazione, preferibilmente prossima alla velocità angolare ω alla quale si effettua la fase c):

Fi(t) = F0 <■ >COS (Oit)

F2(t) = F0 · cos (at);

si campionano, per un certo intervallo di tempo T (preferibilmente per un numero intero di cicli delle forze Fi e F2) le accelerazioni ai(t) ed a2(t) che ne derivano; si calcolano i fattori seguenti:

b) (opzionale) a rotore fermo (ω = 0) si applica un secondo sistema di forze (dove F0 e a sono gli stessi della fase a):

Fi(t) = Fo · cos (at)

F2(t) = F0 <■ >cos (at);

si campionano, per un certo intervallo di tempo T (preferibilmente per un numero intero di cicli dèlie forze Fi e F2) le accelerazioni ai(t) ed a2(t) che ne derivano; si calcolano i fattori seguenti:

si calcolano i seguenti valori:

se tali parametri sono già noti, le prime due fasi possono essere omesse;

c) si impongono inizialmente:

!

d) si fa quindi ruotare il rotore ad una velocità angolare ω si applica un terzo sistema di forze:

dove re(x) rappresenta la parte reale di x, mentre exp(j'x) = cos(x) jsin(x) è un esponenziale di argomento complesso. L'esponenziale complesso deve essere sincronizzato con la rotazione del rotore, ovvero t = 0 quando il rotore è in posizione angolare nota (ad esempio quando un riscontro ottico viene rilevato da un opportuno sensore); un circuito elettronico ("Phase Locked Loop" PLL) rileva la rotazione assoluta del rotore e genera due segnali sinusoidali di ampiezza |Gì | (rispettivamente, |G2|) e fase ZGi (rispettivamente, ZG2) ;

e) si campionano, per un certo intervallo di tempo T (preferibilmente per un numero intero di giri del rotore) le accelerazioni ai(t) ed a2(t), calcolando

i fattori seguenti:

0

si noti che Ai ed A2 sono numeri complessi; da que-

sti e dai precedenti si ricavano i seguenti vettori

e matrici:

2 ) ]

f ) si calcola un nuovo valore di

da cui, invertendo, si ricavano i nuovi valori di

g) si ripete dal punto d) (mantenendo il rotore in

rotazione) fino a quando, contemporaneamente:

dove Amin è un opportuno valore di soglia che determina la precisione della misura, ovvero

n > Nmax

dove Nmax è un opportuno valore massimo che determina la durata massima della misura;

h) al termine, si riportano gli squilibri ai piano Z · ΙΓ<1>

di riferimento Qi e Q2 definendo W=— r— da cui si ω

ricavano

Si noti che tutte le fasi precedentemente descritte possono essere effettuate consecutivamente, in un'unica soluzione, in modo automatico e senza alcun intervento manuale.

Gli attuatori possono essere calibrati ogniqualvolta lo si desideri (ad esempio, nell'accensione dello strumento) tramite una procedura automatica, basata sulla fase 1 della misura (vedasi sopra) . Con tale metodo, si può misurare la massa -supposta nota - dei soli supporti (dopo aver provveduto a rimuovere il rotore dai supporti) ed eventualmente calibrare l'attuatore nel caso la misura (vedasi formule precedenti) differisca dal valore noto di massa.

Nel caso la massa dei supporti sia ignota, si possono effettuare due fasi successive di misura, di cui la prima è come descritta sopra, mentre la seconda prevede l'aggiunta - a ciascuno dei supporti - di una massa campione ed effettuando una misura differenziale.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, ampie variazioni potranno essere apportate a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema per la misura degli squilibri di un rotore (A), caratterizzato dal fatto che comprende le fasi di: a) imporre una rotazione di detto rotore (A) attorno al suo asse meccanico (M); b) compensare dinamicamente mediante attuatori (C, F) le forze di inerzia dovute a detti squilibri, fino ad ottenere una vibrazione nulla di detto rotore (A) almeno lungo un asse (Y) perpendicolare a detto asse di rotazione (M); e c) ricavare analiticamente l'entità e la posizione angolare di detti squilibri riportati su uno o più piani di riferimento (Qi, Q2) prescelti dall'utilizzatore supponendo nota la posizione del baricentro (K) di detto rotore (A).
2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la posizione del baricentro (K) di detto rotore (A) viene misurata, a rotore fermo, tramite: d) applicazione tramite detti attuatori (C, F) di un sistema di forze Fi, F2; e e) misura delle corrispondenti vibrazioni del rotore (A).
3. Sistema secondò la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la posizione del baricentro (K) di detto rotore (A) viene misurata, a rotore in rotazione, tramite: f) applicazione, tramite detti attuatori (C, F) di un sistema di forze alternate (Fi, F2) sincrono con la rotazione del rotore (A); e g) misura della corrispondente variazione delle vibrazioni di detto rotore (A).
4. Sistema secondo le rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che la massa ed il momento di inerzia di detto rotore (A) vengono stimati, a rotore fermo, tramite: h) applicazione di un primo sistema di forze tramite detti attuatori (C, F); i) misura delle corrispondenti vibrazioni del totore (A); l) applicazione di un secondo sistema di fotze (diverso dal primo o per modulo o per fase) tramite gli attuatori (C, F); e m) misura delle corrispondenti vibrazioni di detto rotore (A).
5. Sistema secondo le rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che la massa ed il momento di inerzia del rotore (A) vengono stimati, con rotore in rotazione, tramite: n) applicazione tramite gli attuatori (C, F) di un primo sistema di forze alternate, sincrone con la rotazione del rotore (A); o) misura delle corrispondenti vibrazioni del rotore (A); p) applicazione di un secondo sistema di forze (diverso dal primo o per modulo o per fase) tramite gli attuatori (C, F); e q) misura delle corrispondenti vibrazioni di detto rotore (A).
6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto ghe l'annullamento di detta vibrazione viene misurato tramite uno o più sensori di accelerazione, di velocità o di posizione.
7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti attuatori (C, F) sono realizzati tramite un magnete permanente o un elettromagnete, posizionato all'interno di un circuito magnetico di un solenoide, pilotato tramite correnti, eventualmente sincrone con la rotazione del rotore (A), oppure mediante attuatore piezoelettrico.
8. Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che dette correnti sono ottenute tramite un circuito elettronico di generazione, eventualmente sincronizzato con la rotazione di detto rotore (A).
9. Sistema secondo le rivendicazioni 7 e 8, caratterizzato dal fatto che detta sincronizzazione con detta rotazione del rotore (A) viene effettuata tramite un sensore ottico o magnetico.
10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta compensazione delle forze di inerzia avviene tramite un procedimento ad approssimazioni successive.
11. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che:la caratterizzazione degli attuatori (C, F) viene effettuata mediante: applicazione, tramite gli attuatori (C, F) di un sistema di forze alternate ai soli supporti mobili del rotore (A) (dopo aver rimosso quest'ultimo); misura delle corrispondenti vibrazioni dei supporti, supponendo nota la massa dei supporti.
12. Sistema secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che la massa dei supporti viene misurata tramite: applicazione, tramite gli attuatori (C, F) di un sistema di forze alternate ai soli supporti mobili del rotore (A) dopo aver rimosso quest'ultimo; misura delle vibrazioni corrispondenti dei supporti; fissaggio, su ciascuno dei supporti di una massa campione; applicazione, tramite gli attuatori (C, F) di detto sistema di forze alternate ai supporti ed alle masse campione; e misura delle corrispondenti vibrazioni dei supporti. Il tutto come sostanzialmente descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.