BRPI0617745A2 - processo e dispositivo para a medição dinámica do desquilìbrio de um rotor - Google Patents

Abstract

<B>PROCESSO E DISPOSITIVO PARA A MEDIçãO DINáMICA DO DESQUILìBRIO DE UM ROTOR<D>. A presente invenção refere-se a um processo para medição dinâmica do desequilíbrio de um rotor disposto em uma carcaça (1) e girável com alta velocidade angular, sendo que o rotor está montado em uma carcaça de mancal (14) separada, compreende os seguintes passos: fixação da carcaça de mancal (14) na carcaça (1), sob intercalação de elementos elasticamente flexíveis (6), de tal modo que a carcaça de mancal (14) relativa à carcaça (1) é móvel em pelo menos duas direções espaciais e o rotor está disposto na carcaça (1), em uma posição de trabalho apropriada para o acionamento, aceleração do rotor para uma velocidade de trabalho substancialmente normal, medição das vibrações induzidas por desequilíbrio enquanto o rotor gira com uma velocidade de trabalho substancialmente normal, determinação da posição de fase das vibrações induzidas, em relação à posição angular do rotor nos números de rotação de medição, nos quais são medidas as vibrações induzidas, uso das vibrações induzidas, medidas, e da posição de fase, para determinar o desequilíbrio do rotor a ser compensado.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOE DISPOSITIVO PARA A MEDIÇÃO DINÂMICA DO DESQUILÍBRIO DEUM ROTOR".

A presente invenção refere-se a um processo para a mediçãodinâmica do desequilíbrio de um rotor disposto em uma carcaça e rotativocom uma alta velocidade angular, que está montado em uma carcaça demancai separada, bem como um dispositivo apropriado para execução doprocesso. Particularmente, a invenção refere-se a um processo e a um dis-positivo para medição do desequilíbrio do rotor de um tubocarregador de gásde escapamento.

Torbucarregadores acionados por gás de escapamento têm umrotor, que em operação gira com um número de rotações muito alto de, fre-qüentemente, acima de 100.000 revoluções por minuto, e, portanto, precisaser equilibrado muito precisamente, para evitar ruídos e cargas de apoio al-tas demais. O rotor consiste, em geral, em um eixo montado em uma carca-ça de mancai associada ao mesmo, que em uma extremidade apresentauma roda de turbina e na outra extremidade, uma roda de compressão. Amedição da massa do rotor dá-se, por razões de precisão, a uma velocidadeangular correspondente, substancialmente, à velocidade de trabalho normal,sendo que o rotor está montado fixamente com a carcaça de mancai emuma carcaça de turbina e é levado ao número de rotações necessário porsolicitação da roda de turbina com ar comprimido. Esse modo de processotem a desvantagem de que a massa relativamente grande em comparaçãocom a massa do rotor, de carcaça de mancai e carcaça de turbina, reduzfortemente as vibrações induzidas pelo desequilíbrio do rotor e, desse modo,prejudica a sensibilidade e a precisão da medição.

Do documento EP 0 426 676 B1 é conhecido um processo decompensação para o rotor de alta velocidade de um turbocarregador aciona-do por gás de escapamento, no qual a carcaça central do turbocarregador,na qual o rotor está montado, é unido fixamente com as partes de carcaçaque circundam a roda de turbina e a roda de compressão e a unidade for-mada desse modo, é apoiada de modo elástico, móvel, em todas as dire-ções espaciais em uma armação, com ajuda de tubos de fole flexíveis, quese prendem nas partes de carcaça. Também nesse caso, as partes de car-caça montadas na carcaça central do turbocarregador prejudicam conside-ravelmente o comportamento de vibração e, desse modo, a medição do de-sequilíbrio. Nas partes de carcaça estão dispostos detectores de aceleração,cujos sinais de aceleração são processados em conexão com um ângulo defase medido opticamentè, para determinação do tamanho e posição do de-sequilíbrio.

A invenção tem por base a tarefa de indicar um processo do tipocitado inicialmente, que reduz a influência desvantajosa da massa que vibraconjuntamente e possibilita uma medição de alta precisão do desequilíbrio.Além disso, é tarefa da invenção criar um dispositivo particularmente apro-priado para execução do processo.

No que se refere ao processo, a tarefa citada é solucionada pe-las características indicadas na reivindicação de patente 1, e no que se refe-re ao dispositivo, pelas características indicadas na reivindicação de patente2. Configurações vantajosas do dispositivo estão indicadas nas reivindica-ções 3 a 9.

De acordo com a invenção, o processo para a medição dinâmicado desequilíbrio de um rotor disposto em uma carcaça e que gira com altavelocidade angular, sendo que o rotor está montado em uma carcaça demancai separada, compreende os passos: fixação da carcaça de mancai nacarcaça, sob intercalação de elementos elasticamente flexíveis, de tal modoque a carcaça de mancai pode ser movida em relação à carcaça em pelomenos dois graus de libertação e o rotor está disposto em uma posição detrabalho apropriada para acionamento, aceleração do rotor para uma veloci-dade de trabalho substancialmente normal, medição das vibrações induzidaspelo desequilíbrio, enquanto o rotor gira com uma velocidade de trabalhosubstancialmente normal, determinação da posição de fase das vibraçõesinduzidas pelo desequilíbrio, para posição angular do rotor nos números derotação de medição, aos quais são medidas as vibrações induzidas pelo de-sequilíbrio, uso das vibrações induzidas por desequilíbrio e da posição defase para determinar o desequilíbrio do rotor a ser compensado.

O processo de acordo com a invenção tem a vantagem de queapenas o rotor, a carcaça de mancai e seu mancai alojado na mesma execu-tam vibrações induzidas por desequilíbrio, independentemente de outrasmassas, tal como a massa da carcaça e sua fixação. Desse modo, a massada estrutura de medição, que vibra conjuntamente, está limitada ao mínimoindispensável das partes necessárias para apoio do rotor e, desse modo,consideravelmente reduzida em comparação com o estado da técnica citadoinicialmente. Isso tem a vantagem de que erros de medição, que são causa-dos pelas massas que vibram conjuntamente, são consideravelmente redu-zidos e, desse modo, a medição de desequilíbrio torna-se substancialmentemais precisa.

Para execução do processo, a invenção prevê um dispositivopara a medição dinâmica do desequilíbrio de um rotor montado em uma car-caça de mancai e que gira com alta velocidade angular, com uma carcaça,na qual o rotor e a carcaça de mancai são montáveis, em uma posição detrabalho apropriada para acionamento do rotor com uma velocidade de tra-balho substancialmente normal, sendo que a carcaça apresenta pelo menosum elemento elasticamente flexível, no qual a carcaça de mancai é fixável,de tal modo que ela seja móvel em relação à carcaça em pelo menos duasdireções espaciais. O dispositivo de acordo com a invenção e pode ser pro-duzido de modo econômico e possibilita uma medição do desequilíbrio dorotor com alta precisão.

De preferência, estão dispostos na carcaça do dispositivo vários,particularmente quatro, elementos elasticamente flexíveis em direção axial eradial, concentricamente ao eixo de rotação do rotor, em intervalos periféri-cos regulares. Por essa disposição é obtido um apoio elástico da carcaça demancai, cuja rigidez é substancialmente igual em todas as direções radiais.

De acordo com uma outra proposta da invenção, os elementoselasticamente flexíveis podem estar unidos um ao outro por um anel demancai, no lado da fixação para a carcaça de mancai e podem estar previs-tos meios de aperto para fixação da carcaça de mancai no anel de mancai.Por essa configuração, o manuseio do dispositivo é facilitado, uma vez que acarcaça de mancai não precisa ser unida individualmente com os elementoselásticos. Além disso, o anel de mancai possibilita uma disposição encapsu-lada dos elementos elásticos, de modo que os mesmos não podem ser dani-ficados. Além disso, por limitação do espaço de movimento do anel de man-cai, a amplitude de vibração da carcaça de rotor pode ser limitada para umvalor máximo. De acordo com a invenção, podem estar dispostos no anel demancai detectores de vibração, particularmente, detectores de aceleração.

Os elementos elasticamente flexíveis, de acordo com uma outraproposta da invenção, têm, de preferência, a forma de um setor de coroacircular, com uma seção de setor radialmente interna, uma seção de setorradialmente externa, e elementos elásticos, que unem as duas seções desetor uma com a outra. Essa configuração dos elementos elasticamente fle-xíveis pode ser unida de modo vantajosamente simples com a carcaça e oanel de mancai e necessita de pouco espaço construtivo axial.

Mostrou-se conveniente se os elementos elasticamente flexíveisestiverem fixados com a seção de setor radialmente interna na carcaça ecom a seção de setor radialmente externa, no anel de mancai, de modo queeles não se salientam sobre o anel de mancai na direção radial. Os elemen-tos flexíveis, que unem as duas seções de setor uma com a outra, podemestar curvados em S ou Z. Isso tem a vantagem de que, para obtenção deflexibilidade elástica necessária, é necessário pouco espaço construtivo ra-dial. As duas seções de setor e os elementos elásticos que unem as mes-mas podem ser produzidos de modo simples de uma peça, por exemplo,uma chapa elástica. Isso possibilita uma produção econômica.

Uma outra configuração vantajosa de um dispositivo de acordocom a invenção prevê que a carcaça apresente duas barras elásticas, nasquais a carcaça de mancai ou o anel de mancai são fixáveis, sendo que asbarras elásticas estão dispostas em um plano comum, paralelo ao eixo derotação do rotor, e se estendem na direção do eixo de rotação do rotor. Nes-se caso, a carcaça de mancai pode ser movida em relação à carcaça emtodas as direções radiais e ser girada em torno de um eixo radial situado noplano. De preferência, as barras elásticas estão dispostas em um plano ver-tical e têm, em cada caso, no mesmo ponto pelo menos uma seção flexívelcom rigidez menor. A rigidez da seção flexível pode ser menor na direçãohorizontal do que na direção vertical. Particularmente, a rigidez das barraselásticas pode perfazer em direção horizontal cerca de 10% da rigidez dasbarras elásticas na direção vertical. A rigidez mais alta das barras elásticasem direção vertical serve para o apoio do peso do rotor e carcaça de man-cai.

A invenção é explicada mais detalhadamente a seguir, por meiode exemplos de modalidades que estão representados no desenho. Mos-tram

figura 1 um corte transversal de um dispositivo de medição dedesequilíbrio de acordo com a invenção, com um grupo de corpo de turbo-carregador disposto no mesmo, e

figura 2 uma vista dos elementos elasticamente flexíveis e a uni-dade construtiva que compreende o anel de mancai do dispositivo de acordocom a figura 1,

figura 3 um corte transversal da outra modalidade de um disposi-tivo de medição de desequilíbrio de acordo com a invenção, com um grupo20 de coro de turbocarregador disposto na mesma.

O dispositivo de medição de desequilíbrio mostrado na figura 1compreende uma carcaça 1, que é fixável sobre uma base ou armação pormeio de parafusos 2. A carcaça 1 contém um canal de corrente 3 e uma car-caça espiralada 4 anular, cuja abertura central 5 está em ligação com o ca-nal de corrente 3. A carcaça espiralada 4 apresenta no lado frontal, afastadodo canal de corrente 3, um canal espiralado 4a e uma superfície anular 4bconcêntrica ao eixo central longitudinal do mesmo, na qual estão fixados pormeio de parafusos, à mesma distância do eixo central longitudinal e à mes-ma distância um do outro, quatro elementos elasticamente flexíveis 6, com amesma configuração.

Tal como pode ser visto da figura 2, os elementos elasticamenteflexíveis 6 têm, substancialmente, a forma de placas em forma de setor decoroa de círculo, que estão divididas por entalhes em uma seção de setorradialmente interna 7, uma seção de setor radialmente externa 8 e elemen-tos elásticos 9 em forma de Z, que unem as duas seções de setor uma coma outra. Os elementos 6 consistem, em cada caso, em uma peça e podemser produzidos de modo simples e econômico por recorte de uma chapa dematerial elástico, particularmente, aço elástico.

Os elementos 6 estão fixados na carcaça espiralada 4 com suaseção de setor interna 7 e estendem-se radialmente para fora. Nas seçõesde setor externas 8 dos elementos 6 está fixado por meio de parafusos umanel de mancai 10, no lado afastado da carcaça espiralada 4. O anel demancai 10 encosta-se, nesse caso, com uma superfície anular elevada nasseções de setor 8 e, no restante, tem uma distância axial do elemento elásti-co 9, das seções de setor 7 e também da carcaça espiralada 4. A superfíciefrontal da carcaça espiralada 4 está recuada axialmente na região dos ele-mentos elásticos 9 e das seções de setor 8, de modo que também aqui édada uma distância axial dos elementos elásticos 9 e das seções de setor 8.Além disso, existe um espaço intermediário entre as bordas radialmente ex-ternas das seções de setor 8 e a carcaça 1 . As seções de setor 8 e o anel demancai 10 unido fixamente com as mesmas, sustentados pelos elementoselásticos 9, podem, portanto, executar movimentos de vibração radial e axialem relação à carcaça 1 e à carcaça espiralada 4.

O anel de mancai 10 apresenta um furo central 11 com um res-salto 12. O furo 11 serve para o alojamento de um flange anular 13, que seencontra na carcaça de mancai 14 de um grupo de corpo de turbocarregador15. Depois da inserção do grupo de corpo de turbocarregador 15 no furo 11,o flange 13 é apertado contra o ressalto 12, com ajuda de garras de aperto16, que estão dispostas no anel de mancai 10.

O grupo de corpo de turbocarregador 15 compreende, além dacarcaça de mancai 14, um eixo montado na mesma, bem como uma roda deturbina 17 e uma roda de compressão 18, que estão fixadas em extremida-des opostas do eixo. Na posição apertada, a roda de turbina 17 encontra-seno canal espiralado 4a e na abertura 5 da carcaça espiralada 4. Pelo canalespiralado 4a pode ser guiada de modo apropriado uma corrente de ar paraa roda de turbina 17, para acionar a mesma. O ar de escapamento é evacu-ado através da abertura 5 e do canal de corrente 3. Os contornos internos docanal espiralado 4a e da abertura 5 estão configurados de tal modo quepermanece uma distância suficientemente grande para a roda de turbina 17,para que ela não possa chocar-se, quando o grupo de corpo de turbocarre-gador 15 vibra. A roda de compressão 18 está disposta fora da carcaça 1. Amesma é coberta por uma carcaça de compressor ou uma tampa de prote-ção, para guia da corrente e por razões de proteção.Para medição de um desequilíbrio do rotor, que consiste em ro-

da de turbina 17, eixo e roda de compressão 18, a roda de turbina 17 é acio-nada com ar e acelerada para um número de rotações correspondente auma velocidade de trabalho substancialmente normal. Por um desequilíbrioexistente do rotor, são induzidos, nesse caso, na massa vibratória de grupode corpo de turbocarregador 15 e anel de mancai 10, vibrações que são me-didas a diversos números de rotações, com ajuda dos detectores de vibra-ção ou aceleração, dispostos no anel de mancai 10. Simultaneamente, édeterminada por um transmissor de ângulo de rotação a respectiva posiçãode fase das vibrações induzidas, medidas, com relação ao rotor. Dos valoresmedidos, são determinados, depois, com ajuda de um computador eletrôni-co, a posição angular e tamanho do desequilíbrio a ser compensado.

A figura 3 mostra uma outra configuração de um dispositivo demedição de desequilíbrio de acordo com a invenção, que compreende, talcomo o exemplo de modalidade descrito previamente, uma carcaça 1, umacarcaça espiralada 4 disposta na mesma e um anel de mancai 10, em cujofuro 11 a carcaça de mancai 14 de um grupo de corpo de turbocarregador 15a ser medido é fixável por aperto por meio de garras de aperto 16. Comoelementos elásticos, esse exemplo de modalidade apresenta duas barraselásticas 20, que estão fixadas, em uma extremidade, por meio de parafusos21, na carcaça 1 e, na outra extremidade, por meio de parafusos 22, no anelde mancai 10. As barras elásticas 20 encontram-se em espaços livres dentroda carcaça 1 e seus eixos longitudinais estão situados em um plano verticalcomum, que contém o eixo de rotação do rotor do grupo de corpo de turbo-carregador 15, e estão dispostas paralelamente e diametralmente ao eixo derotação do rotor. A uma pequena distância de suas duas extremidades asbarras elásticas 20 têm seções flexíveis 23 com rigidez menor, que são for-madas por achatamentos locais, opostos um ao outro, das barras elásticas20. As seções elásticas 23 estão formadas de tal modo que sua rigidez nadireção do plano central vertical, comum às barras elásticas 20, é cerca dedez vezes maior do que sua rigidez em uma direção vertical ao plano centralcitado. Pela configuração e disposição descritas das barras elásticas 20, oanel de mancai 10 e o grupo de corpo de turbocarregador 15 disposto nomesmo são apoiados na carcaça 1 de modo elasticamente flexível, de talmodo que ele é móvel em qualquer direção radial, sendo que a rigidez doapoio na direção horizontal é cerca de menor pelo fator 10 do que na direçãovertical. Além disso, é possível uma rotação do anel de mancai 10 com ogrupo de corpo de turbocarregador 15 retido no mesmo em torno de um eixovertical, situado no plano central comum às barras elásticas 20. Desse mo-do, é dado um apoio com pelo menos dois graus de liberação, que são ne-cessários para a medição precisa do desequilíbrio do rotor.

Os dispositivos descritos têm a vantagem de que na medição dodesequilíbrio, a massa que vibra conjuntamente é otimamente pequena, umavez que ela compreende apenas a carcaça de mancai do grupo de corpo deturbocarregador e os meios para aperto do mesmo, a saber, o anel de man-cai 10, inclusive os meios de aperto. Com o dispositivo descrito, pode serobtida, portanto,uma precisão de medição substancialmente mais alta emcomparação com o estado da técnica. Os dispositivos têm, além disso, avantagem de que eles são fáceis de manusear e podem ser produzidos eco-nomicamente.

Claims (11)

1. Processo para medição dinâmica do desequilíbrio de um rotordisposto em uma carcaça (1) e girável com alta velocidade angular, sendoque o rotor está montado em uma carcaça de mancai (14) separada, quecompreende os seguintes passos:fixação da carcaça de mancai (14) na carcaça (1), sob intercala-ção de elementos elasticamente flexíveis (6), de tal modo que a carcaça demancai (14) tem pelo menos dois graus de liberação para movimento emrelação à carcaça (1) e o rotor está disposto na carcaça (1), em uma posiçãode trabalho apropriada para o acionamento,aceleração do rotor para uma velocidade de trabalho substanci-almente normal,medição das vibrações induzidas por desequilíbrio enquanto orotor gira com uma velocidade de trabalho substancialmente normal,determinação da posição de fase das vibrações induzidas pordesequilíbrio, em relação à posição angular do rotor aos números de rotaçãode medição, nos quais são medidas as vibrações induzidas por desequilí-brio,uso das vibrações induzidas por desequilíbrio medidas e da po-sição de fase, para determinar o desequilíbrio do rotor a ser compensado.

2. Dispositivo para a medição dinâmica do desequilíbrio de umrotor montado em uma carcaça de mancai (14) e girável com alta velocidadeangular, com uma carcaça (1), na qual o rotor e a carcaça de mancai (14) émontável em uma posição de trabalho apropriada para acionamento do rotorcom uma velocidade de trabalho substancialmente normal, sendo que a car-caça (1) apresenta pelo menos um elemento elasticamente flexível (6), noqual a carcaça de mancai é fixável de tal modo que a carcaça de mancai(14) é móvel em pelo menos dois graus de libertação em relação à carcaça(1).

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que na carcaça (1) estão dispostos diversos elementos (6) i-guais, elasticamente flexíveis em direção axial e radial, concentricamente aoeixo de rotação do rotor em uma distância periférica regular.

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação precedente, carac-terizado pelo fato de que os elementos elasticamente flexíveis (6) estão uni-dos um ao outro por um anel de mancai (10) no lado de fixação para a car-caça de mancai (14) e que estão previstos meios de aperto para fixação dacarcaça de mancai (14) no anel de mancai (10).

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação precedente, carac-terizado pelo fato de que no anel de mancai (10) estão dispostos detectoresde vibração, particularmente, um detector de aceleração.

6. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 3 a 5, ca-racterizado pelo fato de que os elementos elasticamente flexíveis (6) têm aforma de um setor de coroa circular, que apresenta uma seção de setor ra-dialmente interna (7), uma seção de setor radialmente externa (8) e elemen-tos elásticos (9), que unem as duas seções de setor (7, 8) uma à outra.

7. Dispositivo de acordo com a reivindicação precedente, carac-terizado pelo fato de que os elementos elasticamente flexíveis (6) estão fixa-dos com a seção de setor radialmente interna (7) na carcaça e a seção desetor radialmente externa (8), no anel de mancai 10.

8. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 6 ou 7, ca-racterizado pelo fato de que os elementos elásticos (9) que unem as duasseções de setor (7, 8) uma com a outra estão curvados em forma de S ou Z.

9. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 6 a 8, ca-racterizado pelo fato de que as duas seções de setor (7, 8) e os elementoselásticos (9) que unem as mesmas uma com a outra são produzidos de umapeça.

10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que a carcaça apresenta duas barras elásticas (20), nas quaissão fixáveis a carcaça de mancai (14) ou o anel de mancai (10), sendo queas barras elásticas (20) estão dispostas em um plano comum, paralelo aoeixo de rotação do rotor, e estendem-se em direção ao eixo de rotação dorotor.

11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que as barras elásticas (20) estão dispostas em um plano verti-cal e têm, em cada caso, no mesmo ponto pelo menos uma seção flexível(23) com rigidez menor, cuja rigidez é menor na direção horizontal do que nadireção vertical.