ITUB20156073A1 - Dispositivo per bilanciare il rotore di una turbomacchina - Google Patents

Dispositivo per bilanciare il rotore di una turbomacchina Download PDF

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ITUB20156073A1
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Gianni Mochi
Giacomo Braglia
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Description

“DISPOSITIVO PER BILANCIARE IL ROTORE DI UNA TURBOMACCHINA” DESCRIZIONE
L'argomento della presente descrizione si riferisce ad un dispositivo per bilanciare il rotore di una turbomacchina. Tale dispositivo può essere vantaggiosamente utilizzato nelle turbomacchine in tutti i campi incluso, ma non senza limitazioni, l'industria della produzione di energia elettrica e dell'estrazione del petrolio e dei gas.
Come comunemente noto, lo sbilanciamento è la causa più comune dell’eccessiva vibrazione nelle turbomacchine ad alta velocità. Le vibrazioni elevate possono causare danni a cuscinetti, guarnizioni, rotori, danni al sistema di supporto, rumore elevato ed altri effetti indesiderati.
In maggiore dettaglio, una condizione di sbilanciamento sussiste allorché il baricentro non coincide con l’asse di rotazione. In altre parole, se ci fosse un punto pesante in una parte del disco, il baricentro sarebbe leggermente spostato rispetto all’asse di rotazione.
Per controllare le vibrazioni, i rotori sono bilanciati dinamicamente. Sebbene esistano molti standard operativi di bilanciamento, non esiste un metodo pratico per correlare la vibrazione al bilanciamento. I rotori flessibili presentano problemi aggiuntivi.
Inoltre, se un rotore è costituito da diversi componenti, quali una girante montata su un albero, il processo di assemblaggio potrebbe causare variazioni nella geometria che potrebbero provocare uno sbilanciamento. Generalmente si raccomanda che ogni parte del rotore, incluso l'albero, sia bilanciata a livello dei componenti prima di assemblare il rotore. Di solito, il rotore è bilanciato ed installato su una turbomacchina. A questo scopo, dei pesi sono installati nei punti appropriati in modo che il baricentro coincida con l'asse di rotazione.
Riassunto
Purtroppo, dopo aver effettuato la procedura di bilanciamento durante l’assemblaggio, la configurazione dei pesi non può essere cambiata mentre la turbomacchina è assemblata ed in funzionamento. Per aggiungere, rimuovere o cambiare i pesi è pertanto necessario fermare il rotore, smontarlo almeno parzialmente e ripetere gran parte della procedura di bilanciamento.
Una prima forma di realizzazione dell'invenzione quindi si riferisce ad un dispositivo per bilanciare un rotore di una turbomacchina. Tale dispositivo comprende una base fissabile in modo coassiale ad un rotore di una turbomacchina.
Sulla base vengono predisposti almeno tre strumenti di bilanciamento. Ciascuno strumento di bilanciamento definisce una rispettiva direzione di bilanciamento lungo una direzione radiale della base. Ciascuno strumento di bilanciamento comprende un peso il quale è spostabile lungo una direzione di bilanciamento. Le direzioni di bilanciamento degli strumenti di bilanciamento sono uniformemente distanziate a livello angolare.
Una seconda forma di realizzazione dell'invenzione si riferisce ad una turbomacchina. La turbomacchina comprende un rotore ed un dispositivo per bilanciare il rotore come nella prima forma di realizzazione. Il dispositivo è fissato al rotore.
Un sensore è configurato per misurare un vettore di sbilanciamento del rotore durante la propria rotazione. Una centralina è configurata per regolare il dispositivo in funzione del vettore di sbilanciamento.
Una terza forma di realizzazione dell'invenzione si riferisce a un metodo per bilanciare un rotore. Il metodo comprende una fase che consiste nel fornire un dispositivo per bilanciare il rotore come nella prima forma di realizzazione. Il dispositivo è collegato al rotore di una turbomacchina.
Il dispositivo ed il rotore vengono fatti ruotare intorno ad un asse comune. Uno o più pesi del dispositivo vengano spostati lungo le loro rispettive direzioni di bilanciamento al fine di variare il centro di gravità del rotore.
Altre forme di realizzazione vantaggiose sono previste nelle rivendicazioni allegate.
Vantaggiosamente, le forme di realizzazione dell'invenzione consentono di bilanciare dinamicamente il rotore, senza necessità di disattivare la turbomacchina. In altre parole, è possibile eseguire il bilanciamento con la turbomacchina completamente in linea.
Ulteriori dettagli e forme di realizzazione specifiche fanno riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la Figura 1 è una vista prospettica di un dispositivo per il bilanciamento di un rotore di una turbomacchina secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la Figura 1a è una vista prospettica del dispositivo in Figura 1 installato sull’albero di una turbomacchina;
- la Figura 2 è una vista prospettica di un dispositivo per il bilanciamento di un rotore di una turbomacchina secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;
- la Figura 3 è una vista prospettica di un dispositivo per il bilanciamento di un rotore di una turbomacchina secondo una terza forma di realizzazione della presente invenzione;
- la Figura 4 è una vista prospettica schematica di un componente del dispositivo secondo le forme di realizzazione delle Figure dalla 1 alla 3; e
- la Figura 5 è una rappresentazione schematica del funzionamento del dispositivo dalla Figura 1.
Descrizione in dettaglio
La seguente descrizione di forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni allegati. I medesimi numeri di riferimento nei diversi disegni identificano gli stessi elementi o elementi simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Invece, la portata dell'invenzione è definita dalle rivendicazioni allegate.
Il riferimento nel corso di tutta la descrizione ad “una forma di realizzazione” oppure ad “ogni forma di realizzazione” significa che un particolare tratto, struttura, o caratteristica descritti in relazione ad una forma di realizzazione sono inclusi in almeno una forma di realizzazione del campo descritto. Pertanto, la presenza di frasi quali “una forma di realizzazione” o “in ogni forma di realizzazione” in varie parti di tutta la descrizione non fanno necessariamente riferimento alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, i particolari tratti, strutture o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo idoneo in una o più forme di realizzazione.
In riferimento ai disegni allegati, col numero 1 è indicato un dispositivo per bilanciare un rotore 2 di una turbomacchina. In particolare, il rotore 2 comprende un rotore motore 2a ed un rotore condotto 2b fissato al rotore motore 2a. Il rotore 2 ha anche un asse di rotazione "A".
Effettivamente, il dispositivo 1 comprende una base 3 che è preferibilmente fissabile in modo coassiale al rotore 2. La base 3 è fissabile al rotore 2 in modo tale che il suo asse centrale coincida con l'asse di rotazione "A" della turbomacchina stessa.
In particolare, come mostrato nella Figura 1a, la base 3 è fissata tra il rotore motore 2a ed il rotore condotto 2b. Pertanto, il compito di trasferire alimentazione elettrica e/o coppia motrice dalla trasmissione 2a al rotore condotto 2b della turbomacchina è eseguito dalla base 3.
Preferibilmente, la base 3 è modellata a forma di disco circolare, ed è in grado di supportare l'altro componente del dispositivo 1 come spiegato di seguito. Un elemento statorico 22, modellato preferibilmente a forma di anello, circonda la base 3. L'elemento statorico 22 è preferibilmente fissato ad una parte fissa della macchina come, per esempio, una copertura del rotore o la scatola stessa. Pertanto, la base 3 ha un cerchio 3a il quale, quando installato, si trova di fronte all’elemento statorico 22. Maggiori dettagli sull'elemento statorico 22 verranno forniti nella parte successiva della presente descrizione.
Effettivamente, il dispositivo 1 comprende almeno tre strumenti di bilanciamento 4, i quali sono predisposti sulla base 3. Questi strumenti di bilanciamento 4 hanno la funzione di fornire un modo per spostare il baricentro del rotore 2 della turbomacchina quando si è spostato. In maggiore dettaglio, ogni strumento di bilanciamento 4 definisce una rispettiva direzione di bilanciamento "B" lungo una direzione radiale della base 3.
Più nel dettaglio, ciascuno strumento di bilanciamento 4 comprende un peso 5 il quale è spostabile lungo una direzione di bilanciamento "B". Gli strumenti di bilanciamento 4 sono preferibilmente predisposti in modo che le direzioni di bilanciamento "B" siano uniformemente distanziate angolarmente. Più generalmente, è soltanto necessario che le direzioni di bilanciamento "B" siano predisposte in modo tale che possano spostare il baricentro del dispositivo 1 su ogni punto della base 3, così che ogni sfalsamento del baricentro del rotore 2 possa essere corretto. Ciò richiede almeno tre strumenti di bilanciamento 4, ciascuno con la propria rispettiva direzione di bilanciamento "B" predisposti trasversalmente rispetto agli altri due, senza essere effettivamente distanziati egualmente a livello angolare. Se vengono utilizzati quattro strumenti di bilanciamento 4, la configurazione di disposizione più efficiente è quello a croce, ciascuna direzione di bilanciamento "B" essendo distanziata dalle due direzioni di bilanciamento "B" adiacenti di un angolo di 90°.
Va notato che, maggiore è il numero di strumenti di bilanciamento 4 utilizzati e minore potrà essere ciascun singolo peso 5 fermo restando il fatto di ottenere lo stesso effetto tecnico, vale a dire il bilanciamento del rotore 2.
Nelle forme di realizzazione preferite dell'invenzione, tutti i pesi 5 degli strumenti di bilanciamento 4 sono uguali. Cioè, ciascuno strumento di bilanciamento 4 ha lo stesso effetto sul baricentro dell'assemblaggio comprendente il dispositivo 1 ed il rotore 2. Vantaggiosamente, la massa del peso 5 è una funzione della massa del rotore 2. Nel dettaglio un valore minimo della massa del peso 5 è pari a circa lo 0.0014% della massa totale del rotore 2.
In maggiore dettaglio, ciascuno strumento di bilanciamento 4 comprende un motore 6, installato preferibilmente in modo fisso rispetto alla base 3, il quale è configurato per spostare il peso 5 lungo la direzione di bilanciamento "B". Il motore 6 è preferibilmente un motore elettrico. In tal modo, la distribuzione della massa del dispositivo 1 può essere variata agendo sui motori 6 di alcuni o tutti gli strumenti di bilanciamento 4. Effettivamente, ciascuno strumento di bilanciamento 4 comprende una trasmissione a vite 7, la quale è specificamente azionata dal motore 6. Il peso 5 è collegato a scorrimento alla trasmissione a vite 7. Inoltre, il peso è collegato a scorrimento alla base 3, in modo che il peso 5 scorra rispetto alla base 3 quando la trasmissione a vite 7 è fatta ruotare. In maggiore dettaglio, lo strumento di bilanciamento può comprendere una rotaia 8, fissata alla base 3, la quale consente al peso 5 di scorrere.
Ciascuno strumento di bilanciamento 4 è dotato di un rivelatore di posizione 17 in modo che la posizione del peso 5 sulla direzione di bilanciamento “B” possa essere nota. Tale rivelatore di posizione 17 può quindi essere un contatore associato a ciascun motore 6. In effetti, conoscendo il numero di giri del motore 6 ed i parametri dimensionali della trasmissione a vite 7 ad esso associata, è possibile calcolare la posizione del peso 5 sulla trasmissione a vite 7.
Va notato che la filettatura 7a della trasmissione a vite 7 preferibilmente ha una sezione trapezoidale.
Ciascun assemblaggio del motore 6, come quello mostrato nella Figura 4, comprende il motore stesso 6 ed un rotore 21, il quale è fissato alla rispettiva trasmissione a vite 7. Un dispositivo di arresto 16 è installato dietro al motore 6, sul lato opposto rispetto alla trasmissione a vite 7. Tale dispositivo di arresto 16 è configurato per fermare il motore 6 in caso di mancata alimentazione di corrente elettrica. In effetti, il dispositivo di arresto 16 è configurato in modo da agire sulla trasmissione a vite 7 allo scopo di impedirle che possa slittare. In maggiore dettaglio, il dispositivo di arresto 16 può comprendere un freno a frizione (non mostrato nei disegni). Il freno a frizione agisce sul rotore 21 del motore 6. Dal momento che la sopra citata trasmissione a vite 7 è collegata al rotore 20 del motore 6, bloccando il rotore 20 si blocca anche la trasmissione a vite 7 così da garantire che il corrispondente peso 5 rimanga al suo posto. Va notato che la trasmissione a vite 7 stessa può essere progettata in modo tale che, quando il motore 6 non è abilitato, l’attrito tra il peso 5 e la trasmissione a vite 7 sia sufficiente a mantenere il peso 5 stabilmente al suo posto, evitando così la necessità di un dispositivo di arresto 16. Nondimeno, il dispositivo di arresto 16 può ancora essere incluso in questo caso allo scopo di fornire una funzione di sicurezza ridondante.
Per fornire energia elettrica ai motori 6, il dispositivo 1 inoltre comprende contatti striscianti 9 per collegare elettricamente una alimentazione elettrica ai motori 6. I contatti striscianti 9 possono essere collocati ovunque sulla base 3. Tuttavia, una posizione particolarmente vantaggiosa è il cerchio 3a della base 3, come mostrato per esempio nella Figura 3. In questo caso, i contatti striscianti 9 scorrono sull'elemento statorico 22, pertanto l'elemento statorico 22 farà parte del sistema di alimentazione di energia elettrica del dispositivo 1. I contatti striscianti 9 sono anch'essi ben conosciuti, e non verranno ulteriormente descritti in dettaglio.
Alternativamente, il dispositivo 1 comprende una fonte di energia elettrica senza contatti 18 preferibilmente di tipo induttivo, per collegare elettricamente una sorgente elettrica ai motori 6. In questo caso, il dispositivo 1 comprende piastre induttive 10, al posto dei sopra menzionati contatti striscianti 9. Pertanto, le piastre induttive 10 sono installate sulla base 3, preferibilmente sul cerchio 3a così da poter interagire con le corrispondenti piastre induttive 19 fissate sull'elemento statorico 22.
Anche una forma di realizzazione dell'invenzione si riferisce ad una turbomacchina che comprende il rotore 2 ed un dispositivo 1 come quello descritto in precedenza. Va notato che il dispositivo 1 può essere collegato ad un'estremità del rotore 2.
Inoltre, viene fornito almeno un sensore 11 , il quale è configurato per misurare un vettore di sbilanciamento "V" del rotore 2 durante la propria rotazione. Il sensore 11 è quindi configurato per emettere un segnale che rappresenta tale vettore di sbilanciamento "V". Il vettore di sbilanciamento "V" viene quindi inviato alla centralina 12, la quale è configurata per regolare il dispositivo 1 in funzione del vettore di sbilanciamento "V". La centralina 12 può essere la centralina di controllo standard di una turbina che è ulteriormente dotata di un software per gestire il vettore di sbilanciamento "V" ed il dispositivo 1. Alternativamente, la centralina 12 può essere provvista di un hardware aggiuntivo previsto per controllare solo il dispositivo 1. Va anche notato che una forma di realizzazione pratica del sensore 11 è una serie di dispositivi di rivelazione 14 delle vibrazioni i quali inviano il loro segnale in uscita alla centralina 12. Una parte dell'hardware che costituisce la centralina 12 può pertanto essere dedicata al calcolo del vettore di sbilanciamento
In maggiore dettaglio, il dispositivo rivelatore di vibrazione 14 può comprendere uno o più sensori piezoelettrici 14, che sono configurati per misurare le componenti di vibrazioni secondo assi ortogonali. La turbomacchina comprende un keyphasor 15, il quale ha la funzione di misurare la velocità di rotazione del rotore 2. Il segnale dal keyphasor 15 è anche inviato alla centralina 12. La centralina 12 può quindi utilizzare il segnale dal keyphasor 15 per determinare il sopracitato vettore di sbilanciamento V nel telaio rotante di riferimento del rotore 2.
Inoltre, va notato che la centralina 12 può anche acquisire la posizione dei pesi 5 attraverso i sopra menzionati rivelatori di posizione 17.
La centralina 12 è quindi collegata agli strumenti di bilanciamento 4, in particolare ai motori 6. Pertanto la centralina 12 puoi mettere un segnale di controllo "Sm" per ciascun motore 6, al fine di spostare i corrispondenti pesi 5 e ribilanciare quindi il rotore 2.
In una forma di realizzazione alternativa, la turbomacchina potrebbe non essere dotata di una centralina 12 come quella descritta in precedenza. In questo caso, la posizione dei pesi 5 degli strumenti di bilanciamento 4 può essere regolata manualmente da un operatore al fine di ribilanciare il rotore 2, allorché sia necessario farlo.
È anche una forma di realizzazione dell'invenzione un metodo per bilanciare il sopra descritto rotore 2. Il metodo comprende una fase in cui fornire un dispositivo 1 per bilanciare il rotore 2 come quello descritto in precedenza. Il dispositivo 1 è quindi assemblato sul rotore 2. Quando la turbomacchina è in funzione, il dispositivo 1 ed il rotore 2 pertanto ruotano su un asse comune "A".
Se viene evidenziato uno sbilanciamento, in particolare attraverso il sensore sopra citato 11, il vettore di sbilanciamento "V" è determinato e quindi trasmesso alla centralina 12. La centralina 12 quindi sposta i pesi 5 lungo le direzioni di bilanciamento “B”, al fine di cambiare il centro di gravità del rotore 2. Questo viene fatto in funzione del vettore di sbilanciamento “V”.
In maggiore dettaglio, la centralina 12 acquisisce la posizione attuale dei pesi 5 verificando i rivelatori di posizione 17, successivamente sposta uno o più pesi 5 agendo sul motore corrispondente 6.

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) per bilanciare un rotore (2) di una turbomacchina, comprendente una base (3) fissabile in modo coassiale ad un rotore (2) di una turbomacchina; almeno tre strumenti di bilanciamento (4) disposti sulla base (3), ciascuno strumento di bilanciamento (4) definendo una rispettiva direzione di bilanciamento (B) lungo una direzione radiale della suddetta base (3), ciascuno strumento di bilanciamento (4) comprendendo un peso (5) spostabile lungo la direzione di bilanciamento (B); in cui le direzioni di bilanciamento (B) sono uniformemente distanziate angolarmente.
  2. 2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui i pesi (5) sono uguali.
  3. 3. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuno strumento di bilanciamento (4) comprende un motore (6) configurato per spostare il peso lungo la direzione di bilanciamento (B).
  4. 4. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuno strumento di bilanciamento (4) comprende una trasmissione a vite (7), azionata dal suddetto motore (6), il peso (5) essendo collegato scorrevolmente alla trasmissione a vite (7) ed alla base (3) in modo tale che la trasmissione a vite (7) scorra rispetto alla base quando la trasmissione a vite (7) è fatta ruotare.
  5. 5. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 4, in cui la filettatura (7a) della trasmissione a vite (7) ha una sezione trapezoidale.
  6. 6. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 3 alla 5, in cui il motore (6) è un motore elettrico.
  7. 7. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 6, comprendente inoltre contatti striscianti (9) per collegare elettricamente una alimentazione di elettrica ai motori (6) .
  8. 8. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 6, comprendente inoltre una alimentazione di energia elettrica senza contatto (10), preferibilmente di tipo induttivo, per collegare elettricamente una alimentazione di energia elettrica ai motori (6).
  9. 9. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 3 alla 8, in cui il motore (6) comprende un dispositivo di arresto (16) configurato per fermare il motore in caso di mancanza di alimentazione elettrica.
  10. 10. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la massa del peso (5) è in funzione della massa del rotore (2).
  11. 11. Turbomacchina comprendente: Un rotore (2) Un dispositivo (1) per bilanciare il rotore (2) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni collegate al suddetto rotore (2); Almeno un sensore (11) configurato per misurare un vettore di sbilanciamento (V) del rotore (2) durante la sua rotazione; Una centralina (12) configurata per regolare il dispositivo (1) in funzione del vettore di sbilanciamento (V).
  12. 12. Turbomacchina secondo la rivendicazione 11, in cui il rotore (2) comprende un rotore motore (2a) ed un rotore condotto (2b), il suddetto dispositivo (1) per bilanciare il rotore (2) essendo collegato tra il rotore motore (2a) ed il rotore condotto (2b).
  13. 13. Turbomacchina secondo le rivendicazioni 11 e 12, in cui il sensore (11) comprende una serie di strumenti di rivelazione, preferibilmente uno o più sensori piezoelettrici, configurati per misurare le componenti di vibrazione secondo assi ortogonali; la turbomacchina comprendente inoltre un keyphasor (15).
  14. 14. Metodo per bilanciare un rotore (2), comprendente le fasi di: fornire un dispositivo (1) per bilanciare un rotore (2) secondo una o più delle rivendicazioni dalla 1 alla 10; collegare il dispositivo (1) al rotore (2) di una turbomacchina; far ruotare il dispositivo (1) e il rotore (2) intorno ad una asse comune (A); spostare uno o più pesi (5) lungo le suddette direzioni di bilanciamento (B) per cambiare il centro di gravità del rotore (2).
  15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 15, comprendente inoltre le fasi di: misurare un vettore di sbilanciamento del rotore (V); controllare le posizioni dei pesi (5) in funzione del vettore di sbilanciamento (V).
ITUB2015A006073A 2015-12-02 2015-12-02 Dispositivo per bilanciare il rotore di una turbomacchina ITUB20156073A1 (it)

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