MX2012006662A - Acoplamiento para balanceo de rotor. - Google Patents

Abstract

Sistemas, dispositivos y métodos de acuerdo con estas modalidades ilustrativas proporcionan acoplamientos o interfases utilizables, por ejemplo, en la prueba de balanceo de alta velocidad de rotores. Un acoplamiento (40) incluye una porción de cuerpo principal (46) que tienen una porción delgada entendida (51) en el mismo, la cual está configurada para fijar una flecha (55) de la máquina de balanceo y una porción de inserto extendido (42), la cual está configurada para fijar una abertura (32) en el rotor (30). Una pluralidad de elementos de conexión (48) está dispuesta en agujeros en la porción de cuerpo principal (46) del acopIamiento (40) y un anillo (44) está dispuesto sobre el inserto extendido (42) y cerca de las salidas de los agujeros en la porción de cuerpo principal (46).

Description

ACOPLAMI ENTO PARA BALANCEO DE ROTOR Ca m po de la I n ve n c i ón La presente invención se relaciona en general con acoplamientos entre equipo y más en particular, a un acoplamiento o interfaz entre un rotor y una máquina de prueba de balanceo.

A nteced e n tes d e la I nve n c i ó n Las máquinas turbo (algunas veces también llamadas como "máquinas giratorias turbo") son una clase de máquinas que incluyen compresores, motores de turbina y sus similares e incluyen rotores que durante la operación, giran a muy altas velocidades, por ejemplo, miles o decenas de miles de revoluciones por minuto (RPM). El rotor, típicamente, incluye una flecha que está soportada en forma axial y radial para la rotación en los cojinetes. Dado el tamaño y el peso de tales rotores, incluso un desbalance muy ligero en un rotor puede reducir mucho el número de horas operativas de una máquina turbo. Por ejemplo, para un rotor que tiene un peso de 225 kg y un desbalance (por ejemplo, desplazamiento del centro de gravedad) de 0.002 cm, la fuerza resultante del desbalance será de aproximadamente 900 kg cuando el rotor se gira a 12,000 RPM, la fuerza se observa como vibraciones que dañan rápidamente los cojinetes.

Una forma para solucionar este problema es probar de balanceo los rotores ya sea que estén ensamblados en etapas o después de que son ensamblados por completo, y entonces hacer los ajustes necesarios para compensar cualquier desbalance detectado. Tales pruebas de balanceo pueden llevarse a cabo al conectar los rotores o las etapas del rotor en un equipo de prueba de balanceo que gira el rotor bajo vacio a alta velocidad y tiene sensores, que detectan los desbalances, por ejemplo, desplazamientos del centro de gravedad durante la rotación.

Una configuración de prueba de balanceo de alta velocidad general se muestra en la Figura 1 . Dentro de una cámara 2 de vacío, unos pedestales 4 dan soporte a un rotor 4 y a un motor 6 de la máquina de prueba de balanceo se conecta con el rotor 8 a ser probado a través de un acoplamiento o interfaz 9. Además de la flecha, el rotor 8 puede tener uno o más elementos acoplados con la flecha, por ejemplo, uno o más impulsores, como se describe más adelante. El acoplamiento 9 transfiere el torque desde el motor 6 al rotor 8 y es provisto como un elemento en el sistema de prueba ya que típicamente tienen muchos tamaños y configuraciones diferentes de rotores 8 a ser probados de balanceo por la máquina de prueba de balanceo, y por lo tanto, el acoplamiento 9 opera como un adaptador entre los diferentes rotores 8 a ser probados y la máquina de prueba de balanceo. Un acoplamiento 9 ejemplificativo se muestra en la Figura 2. Ah í, se puede observar que el acoplamiento 9 tiene una forma generalmente cónica que se ahusa hacia el extremo que se ajusta sobre el rotor 8 y tiene un diámetro relativamente grande con relación al rotor 8. En la práctica, el acoplamiento 9 se encoje por calor sobre el rotor 8 antes de la prueba de balanceo, y entonces se remueve para el ensamble dentro de su respectiva máquina turbo.

El uso de tal acoplamiento 9 como parte del proceso de prueba de balanceo conlleva varias desventajas. En primer lugar, el acoplam iento 9 es relativamente pesado, por ejemplo, dentro del orden de 20-30 kg, de manera que cualquier excentricidad provoca que resulte en el desbalanceo que se añade al sistema de prueba suficientemente alta para afectar la prueba de balanceo, lo cual resulta en un rotor 8 potencialmente desbalanceado. De hecho, en algunos casos, la magnitud del desbalanceo añadido por el acoplamiento 9 puede alcanzar hasta el 200% de la tolerancia aceptable de desbalanceo para el rotor 8. En segundo lugar, el método para acoplar el acoplamiento 9 con el rotor, es decir, por encogimiento de calor, es consumidor de tiempo, es complejo y puede dañar la superficie del rotor en sí .

De conformidad con esto, sería deseable diseñar y proporcionar un acoplamiento para un rotor con una máquina de prueba de balanceo que supera las desventajas antes mencionadas en los acoplamientos existentes.

Breve Descripción de la Invención Los sistemas, dispositivos y métodos de conformidad con estas modalidades ejemplificativas proporcionan acoplamientos o interfaces que se pueden utilizar, por ejemplo, en la prueba de balanceo para los rotores. Al proporcionar un ajuste de fricción entre el acoplamiento y el rotor a ser probado, se puede evitar el encogimiento de calor del acoplamiento sobre el rotor, lo cual hace el proceso más rápido y más seguro. Además, el diseño puede ser más ligero e introducir menos desbalanceo dentro del ajuste de prueba. Sin embargo, las personas experimentadas en la técnica podrán apreciar que tales ventajas no se deben considerar como limitaciones de la presente invención, excepto hasta el punto en que sean descritas explícitamente en una o más de las reivindicaciones anexas.

De conformidad con una modalidad ejemplificativa, un acoplamiento incluye una porción de cuerpo principal que tiene una porción delgada extendida en la misma, la cual está configurada para ajustarse en una flecha de la máquina de balanceo y una porción de inserto extendida, la cual está configurada para ajustarse en una abertura en el rotor. Una pluralidad de elementos de conexión está dispuesta en orificios en la porción principal de cuerpo del acoplamiento y un anillo está dispuesto sobre el inserto extendido y cerca de las salidas de los orificios en la porción principal de cuerpo.

De conformidad con otra modalidad ejemplificativa, un método para conectar un rotor con una prueba de balanceo incluye los pasos de: insertar una porción de inserto extendida de un dispositivo de acoplamiento dentro de una abertura en el rotor, aplicar un torque en la pluralidad de elementos de conexión , la pluralidad de elementos de conexión está dispuesta en la porción principal de cuerpo del dispositivo de acoplamiento para forzar un anillo dispuesto sobre la porción de inserto extendida contra la superficie de empalme alrededor de la abertura del rotor, y conectar la flecha de accionam iento con la máquina de prueba de balanceo con la porción delgada extendida en la porción principal de cuerpo del dispositivo de acoplamiento.

De conformidad con otra modalidad ejemplificativa, un sistema de prueba de balanceo incluye una máquina de prueba de balanceo que incluye una flecha de accionamiento, un acoplamiento, conectado con un lado de la flecha de accionamiento, y un rotor conectado para recibir el torque desde la flecha de accionamiento a través del acoplamiento, el acoplamiento incluye: una porción principal de cuerpo que tiene una porción delgada extendida en la misma que está configurada para ajustarse con la flecha de accionamiento de la máquina de prueba de balanceo y una porción de inserto extendida que está configurada para ajustarse en una abertura en el rotor, una pluralidad de elementos de conexión dispuestos en orificios en la porción principal de cuerpo y un anillo dispuesto sobre el inserto extendido y cerca de las salidas de los orificios en la porción principal de cuerpo.

Breve Descripción de los Dibujos Los dibujos acompañantes ilustran las modalidades ejemplificativas, en los cuales: La Figura 1 ilustra un ajuste de prueba de balanceo de rotor general.

La Figura 2 ilustra un acoplamiento convencional para el ajuste de prueba de balanceo de la Figura 1 .

La Figura 3 ilustra un compresor que tiene un rotor que se prueba de balanceo, de conformidad con las modalidades ejemplificativas.

La Figura 4 muestra un extremo del rotor a ser probado de balanceo, de conformidad con las modalidades ejemplificativas.

La Figura 5 muestra un dispositivo de acoplamiento, de conformidad con las modalidades ejemplificativas.

La Figura 6 muestra una vista en sección del acoplamiento de la Figura 4(a) acoplado con el rotor, de conformidad con las modalidades ejemplificativas.

La Figura 7 es una vista en perspectiva exterior del acoplamiento conectado con un rotor, de conformidad con las modalidades ejemplificativas.

La Figura 8 es una gráfica que muestra la vibración asociada con un rotor probado con el uso del acoplamiento del tipo ilustrado en la Figura 2, comparado con el mismo rotor probado con el uso de un acoplamiento, de conformidad con las modalidades ejemplificativas; y La Figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra el método para conectar un rotor con una máquina de balanceo de prueba.

Descri pción Detallada de la I nvención La siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplificativas se refiere a los dibujos acompañantes. Los mismos números de referencia en los diferentes dibujos identifican los mismos elementos o elementos similares. También , la siguiente descripción detallada no limita la invención . En su lugar, el alcance de la invención se define por las reivindicaciones anexas.

El contexto de la siguiente descripción se relaciona con acoplamientos de conformidad con las modalidades ejemplificativas. La Figura 3, ilustra esquemáticamente un compresor 10 centrífugo, de múltiples etapas que incluye un rotor que de preferencia, se prueba de balanceo (y después se balancea) antes de su fabricación final y su entrada en servicio. En el mismo, el compresor 1 0 incluye una caja o alojamiento (estator) 1 2, dentro del cual se monta la flecha 14 del compresor giratorio que es provisto con una pluralidad de propulsores 16 centrífugos. El ensamble 1 8 de flecha incluye la flecha 14 y los propulsores 16 y está soportado en forma radial y axial a través de cojinetes 20 que están dispuestos en cualquier lado del ensamble 1 8 del rotor.

El compresor centrífugo de múltiples etapas opera para tomar un gas de proceso de entrada desde la entrada 22 del ducto, para acelerar las partículas del gas del proceso a través de la operación del ensamble 1 8 del rotor, y para entregar después del gas del proceso a través del ducto de salida a una presión de salida que es mas alta que su presión de entrada. Entre los propulsores 16 y los cojinetes 20, se proporcionan sistemas 26 de sellado para evitar que el gas del proceso fluya a través de los cojinetes 20. En la modalidad ejemplificativa ilustrada , el alojamiento 12 está configurado para cubrir ambos cojinetes 20 y los sistemas 26 de sellado para evitar el escape del gas del compresor 10 centrífugo. En la Figura 3, también se puede observar un tambor 27 de balanceo que compensa el empuje axial generado por los propulsores 16, el sello 28 de laberinto del tambor de balanceo y una línea 29 de balanceo que mantiene la presión en el lado exterior del tambor 27 de balanceo al mismo nivel que la presión a la cual entra el gas del proceso a través del ducto 22. Las personas experimentadas en la técnica podrán apreciar que el compresor centrífugo ilustrado en la Figura 3 es provisto aqu í solamente como un ejemplo del tipo de máquina turbo que incluye el tipo de rotor que típicamente se prueba de balanceo antes de ser ensamblado por completo, y la presente invención no está limitada a los mismos.

Un extremo 30 del ensamble 18 del rotor mostrado en la Figura 3(a) puede por ejemplo, estar configurado como se observa en la Figura 4. Ahí, se puede observar que el extremo 30 del rotor es generalmente circular en sección transversal con una abertura 32 y una superficie 34 externa generalmente cilindrica. De conformidad con una modalidad ejemplificativa ilustrada en la Figura 5, el acoplamiento 40 está diseñado para rea l iza r una i nterfaz co n e l extrem o 30 del rotor con la m áqu in a de prueba de balanceo. Ahí, el acoplamiento 40 incluye un inserto 42 extendido, un anillo 44 y una porción 46 principal de cuerpo que tiene una pluralidad de elementos de conexión, por ejemplo, tornillos de torque 48 dispuestos en los mismos. La porción 46 principal de cuerpo tiene una abertura 50 formada en la misma que está configurada para empalmarse con la flecha de accionamiento (no mostrada en esta Figura, consultar la Figura 6, descrita a continuación) de la máquina de prueba de balanceo. En este ejemplo, la abertura 50 es una abertura con forma hexagonal, aunque las personas experimentadas en la técnica podrán apreciar que la abertura 50 puede adoptar cualquier forma apropiada dependiendo de la implementación de la máquina de prueba de balanceo. La porción 46 principal de cuerpo de conformidad con una modalidad ejemplificativa tiene una porción 51 delgada extendida en la misma que está configurada para empalmarse con la flecha 55 de accionamiento (observada en la Figura 6) de la máquina de prueba de balanceo.

Una vista en sección lateral del acoplamiento 40 cuando se conecta con el extremo 30 del rotor es provista como la Figura 6. Ahí, uno de los tornillos 48 de torque es removido para revelar mejor su orificio 52 de tornillo roscado correspondiente. En este ejemplo, el acoplamiento 40 tiene seis tornillos 48 de torque que están separados uniformemente (en forma simétrica) alrededor de la circunferencia de la porción 46 principal de cuerpo en los orificios 52 de tornillo correspondientes, aunque las personas experimentadas en la técnica podrán apreciar que tanto el número como la colocación de los tornillos 48 de torque pueden variar. Como se observa en la Figura 4(b), los extremos 54 de los tornillos 48 de torque quedan a tope con el anillo 44 que descansa en el acoplamiento 40. El anillo 44 descansa en la superficie de la porción 46 de cuerpo principal sin el acoplamiento de conformidad con esta modalidad ejemplificativa y se presiona por los tornillos 48 de torque. El anillo 44 proporciona la presión uniforme para que la fricción sea transmitida en forma uniforme en el extremo del rotor y evita el daño en el extremo del rotor por los tornillos 48. De conformidad con una modalidad ejemplificativa, los tornillos 48 de torque se pueden formar de un material que tiene una resistencia a la tensión de 700 MPa, aunque también se pueden utilizar otros valores y materiales.

Para acoplar el acoplamiento 40 con el rotor, el inserto 42 extendido primero se inserta dentro de la abertura 32 en el extremo 30 del rotor. Por ejemplo, el inserto 42 extendido se puede enroscar y atornillarse dentro de las roscas correspondientes provistas en la abertura 32 en el extremo 30 del rotor con el uso de una llave de torque hexagonal en la abertura 50. Entonces, los tornillos 48 de torque se pueden apretar, por ejemplo, con el uso de una llave dinamómetro y aplicar 2-5 N-m de torque, para que el anillo 44 se presione hacia arriba contra la superficie 34 externa del extremo 30 del rotor. De este modo, de conformidad con una modalidad ejemplificativa, el acoplamiento 40 se ajusta a fricción con el rotor y el torque se transmite desde la máquina de prueba de balanceo a través del acoplamiento 40 hasta el rotor a través de la conexión de fricción. En esta modalidad ejemplificativa, la flecha 55 de la máquina de prueba de balanceo está conectada con el acoplam iento 40 a través de la abertura 54 que se empalma con la porción 51 delgada extendida (anu lar) del acoplamiento. La característica de acoplamiento ejemplificativa también cuenta con la ventaja de mantener la concentricidad del acoplamiento (para reducir/eliminar el desbalanceo en el ajuste de prueba). La Figura 7 ilustra un rotor y acoplamiento 40 combinados después de que se acoplan entre sí de conformidad con esta modalidad ejemplificativa .

De este modo, a diferencia del acoplamiento 14 encogido por calor, cónico que ha sido descrito antes con respecto a la Figura 2, el acoplamiento 40 de conformidad con las modalidades ejemplificativa s de las Figuras 5-7 se pueden acoplar fácilmente y mecánicamente con un rotor a ser probado de balanceo. Este proceso es menos consumidor de tiempo y más seguro, ya que no involucra un horno para encoger por calor el acoplamiento sobre el rotor. Además, el acoplamiento 40 ejemplificativo es menos propenso a dañar a superficie del rotor que el encogimiento por calor. También el acoplamiento 40 se puede fabricar para pesar menos que el acoplamiento 14 e introducir menos desbalanceo dentro del sistema.

Por ejemplo, se condujo una prueba al balancear un rotor primero con el uso del acoplamiento 14 para acoplar el rotor con la máquina de prueba de balanceo y después, con el uso del acoplamiento 40 para acoplar el mismo rotor con la máquina de prueba dé balanceo, los resultados se muestran en la Figura 8.

Esta prueba se llevó a cabo con un equipo de balanceo de alta velocidad de Schenck GMBH , que tiene un ajuste generalmente como se muestra en la Figura 1 y que emplea acelerómetros como sensores de vibración . Para generar los resultados mostrados en la Figura 8, la vibración del rotor se midió en el extremo de accionamiento del rotor, es decir, el extremo del rotor conectado con el acoplamiento (resultados en la caja rectangular 60) y el extremo opuesto del rotor (los resultados ilustrados debajo del rectángulo 60) en unidades de mms/s rms vibración como una función de las RPM. Más específicamente, la línea 62 punteada representa la vibración medida del rotor conectado con la máquina de balanceo a través del acoplamiento 14, mientras la línea 64 sólida representa la vibración medida del rotor conectado con la máquina de prueba de balanceo a través del acoplamiento 40. Al comparar las dos funciones 62 y 64, se puede observar que la vibración fue mucho menor, por ejemplo, por aproximadamente 25% a los niveles de vibración pico, cuando se utilizó el acoplamiento 40 de conformidad con las modalidades ejemplificativas mencionadas, que con el uso del acoplamiento 14. El diferencial de vibración en el otro lado del accionamiento fue mucho menor, como se espera, ya que el extremo del accionamiento está más lejos de la interfaz con el sistema de prueba de balanceo.

De este modo, de conformidad con una modalidad ejemplificativa, un método para conectar un rotor con la prueba de balanceo incluye los pasos ilustrados en el diagrama de flujo de la Figura 9. Aquí, en el paso 70, una porción de inserto extendida de un dispositivo de acoplamiento se inserta dentro de una abertura en el rotor. El torque se aplica en una pluralidad de elementos de conexión en el paso 72 para forzar un anillo dispuesto sobre la porción de inserto extendida contra la superficie de empalme dispuesta alrededor de la abertura del rotor. Una flecha de accionam iento de la máq uina de prueba de balanceo está conectada con la porción delgada extendida en la porción principal de cuerpo del dispositivo de acoplamiento en el paso 74.

Las modalidades ejemplificativas antes descritas tienen la intención de ser ilustrativas en todos los aspectos, mejor que restrictivas de la presente invención . De este modo, la presente invención puede experimentar variaciones en la implementación detallada que se pueden derivar de la descripción aqu í contenida. Todas estas variaciones y modificaciones se consideran dentro del alcance y espíritu de la presente invención , como se define en las reivindicaciones anexas. Ningún elemento, acción o instrucción utilizada en la descripción de la presente invención se debe considerar como crítica o esencial para la invención, a menos que se describa explícitamente. También , como se utiliza aqu í, el artículo "un"; "una", "el", "la" tiene la intención de incluir uno o más artículos.

Claims (14)

REIVI N DI CACIO N ES

1. Un acoplamiento (40) para conectar un rotor con una máquina de prueba de balanceo, el acoplamiento (40) está caracterizado porque comprende: una porción (46) principal de cuerpo que tiene una porción (51 ) delgada extendida en la misma que está configurada para ajustar una flecha de la máquina de balanceo y una porción (42) de inserto extendida, la cual está configurada para ajustarse en una abertura en el rotor; una pluralidad de elementos (48) de conexión dispuesta en orificios en la porción (46) principal de cuerpo; y un anillo (44) dispuesto sobre el inserto (42) extendido y cerca de las salidas de los orificios en la porción (46) principal de cuerpo.

2. El acoplamiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los elementos de conexión operan para empujar el anillo hacia afuera hacia un extremo del inserto extendido.

3. El acoplamiento de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de los elementos de conexión está dispuesto en un orificio rebajado en la porción principal de cuerpo.

4. El acoplamiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos de conexión son tornillos.

5. El acoplamiento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque los orificios para los tornillos están dispuestos en forma simétrica alrededor de la circunferencia de la porción principal de cuerpo.

6. El acoplamiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la porción principal de cuerpo y el anillo están formados como cilindros que tienen esencialmente el mismo diámetro y el inserto extendido es un cilindro que tiene un diámetro más pequeño que el de la porción principal de cuerpo y el anillo.

7. Un método para conectar un rotor con una máquina de prueba de balanceo, el método está caracterizado porque comprende: insertar la porción (42) de inserto extendido de un dispositivo (40) de acoplamiento dentro de una abertura (32) en el rotor (30); aplicar un torque en la pluralidad de elementos (48) de conexión, la pluralidad de elementos (48) de conexión está dispuesta en la porción (46) principal de cuerpo del dispositivo (40) de acoplamiento para forzar al anillo (44) dispuesto sobre la porción (42) de inserto extendido contra la superficie de empalme alrededor de la abertura (32) del rotor (30); y conectar una flecha de accionamiento de la máquina de prueba de balanceo con la porción (51 ) delgada extendida en la porción (46) principal de cuerpo del dispositivo (40) de acoplamiento.

8. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la pluralidad de elementos de conexión está dispuesta en un orificio rebajado en la porción principal de cuerpo.

9 El método de conformidad con la reivindicación 7 o la reivindicación 8, caracterizado porque la porción principal de cuerpo y el anillo están formados como cilindros que tienen esencialmente el mismo diámetro y el inserto extendido es un cilindro que tiene un diámetro más pequeño que el de la porción principal de cuerpo y del anillo.

10. Un sistema de prueba de balanceo, caracterizado porque comprende: una máquina de prueba de balanceo que incluye una flecha (55) de accionam iento; y un acoplamiento (40) conectado en un lado de la flecha (55) de accionamiento; y un rotor (30) conectado para recibir el torque desde la flecha (55) de accionamiento a través del acoplamiento (40), el acoplamiento (40) incluye: una porción (46) principal de cuerpo que tiene una porción (51 ) delgada extendida en la misma, la cual está configurada para ajustarse en la flecha (55) de accionamiento de la máquina de prueba de balanceo y una porción (42) de inserto extendida , la cual está configurada para ajustarse en una abertura (32) en el rotor (30); una pluralidad de elementos (48) de conexión dispuesta en orificios en la porción (46) principal de cuerpo; y un anillo (44) dispuesto sobre el inserto (42) extendido y cerca de las salidas de los orificios en la porción (46) principal de cuerpo.

1 1 . El sistema de prueba de balanceo de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque los elementos de conexión operan para empujar el anillo hacia afuera hacia un extremo del inserto extendido.

12. El sistema de prueba de balanceo de conformidad con la reivindicación 1 0 o la reivindicación 1 1 , caracterizado porque cada uno de la pluralidad de los elementos de conexión está dispuesto en un orificio rebajado en la porción principal de cuerpo.

13. El sistema de prueba de balanceo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 0 a la 12, caracterizado porque los elementos de conexión son tornillos.

14. El sistema de prueba de balanceo de conformidad con la reivindicación 1 3, caracterizado porque los orificios para los tornillos están dispuestos en forma simétrica alrededor de la circunferencia de la porción principal de cuerpo. 1 5. El sistema de prueba de balanceo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 0 a la 14, caracterizado porque la porción principal de cuerpo y el anillo se forman como cilindros que tienen esencialmente el m ismo diámetro y el inserto extendido es un cilindro que tiene un diámetro más pequeño que el de la porción principal de cuerpo y del anillo.