IT9020765A1

IT9020765A1 - Metodo di bilanciamento di rotori di turbomotori a gas e rotori cos~ prodotti

Info

Publication number: IT9020765A1
Application number: IT020765A
Authority: IT
Inventors: Fredric Franklin Ehrich
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1990-06-26
Publication date: 1991-12-26
Also published as: DE4019721C2; JPH0375538A; DE4019721A1; CA2016458C; GB2233772B; IT9020765A0; FR2649174B1; CA2016458A1; GB2233772A; FR2649174A1; US5214585A; GB9014521D0; JPH0830669B2; IT1258229B

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale

La presente invenzione riguarda in generale bilanciamento di rotori e, più particolarmente, bilanciamento a bassa velocità di un rotore per un turbomotore a gas, per esempio, per ottenere migliorato bilanciamento ad alta velocità del rotore. Una macchina rotante a bassa velocità è definita come un sistema avente un rotore che funziona molto bene al di sotto della sua prima velocità critica di flessione (cioè subcriticamente). Si sa bene nella tecnica che tali rotori possono essere bilanciati prima del funzionamento in convenzionali macchine di bilanciamento a bassa velocità o due piani. Poiché i loro rotori non funzionano mai abbastanza rapidamente da subire maggiori flessioni vibratorie dovute a risonanza, il procedimento di bilanciamento a bassa velocità è anche chiamato bilanciamento di corpo rigido.

Una convenzionale procedura di bilanciamento a bassa velocità implica sostenere il rotore su due cuscinetti asserviti montati molleggiati in una macchina di bilanciamento a bassa velocità, ciascun cuscinetto essendo equipaggiato con un trasduttore di spostamento che può rivelare il movimento su quel cuscinetto indotto da uno sbilanciamento di rotazione. La macchina può quindi essere tarata imponendo noti sbilanciamenti sul rotore. Quindi la correzione di bilanciamento per la distribuzione sconosciuta di sbilanciamento di qualsiasi particolare rotore può essere effettivamente specificata come due vettori di correzione di bilanciamento, uno in ciascuno dei due prescelti piani di correzione di bilanciamento.

Ovviamente, i termini "sbilanciamento" e "bilanciamento" come convenzionai mente usati e come qui usati sono termini di grado. Il grado di bilanciamento viene scelto per ottenere idealmente nessun sbilanciamento, o uno sbilanciamento relativamente modesto, secondo pratica convenzionale.

Un vettore di correzione di bilanciamento è definito da una particolare massa o peso ad una particolare distanza radiale dall’asse centrale di rotazione (detto in combinazione, in unità di grammi. pollice o equivalenti) ad una specifica posizione angolare (o di lancette dell'orologio) da qualche prescelto punto di riferimento. L’effettiva correzione di bilanciamento viene quindi eseguita mediante rimozione di opportuno materiale all'opportuna posizione radiale e angolare in ciascuno dei due piani di correzione di bilanciamento o, alternativamente, per aggiunta di materiale in una posizione angolare spostata di 180° dalla particolare posizione per la rimozione di materiale. Bilanciamento su due piani è il criterio necessario e sufficiente per bilanciamento a bassa velocità di un corpo rigido.

Un rotore che ruota ad alta velocità trascritica o supercritica (cioè nella vicinanza di o attraverso e al di sopra della velocità critica di flessione che induce risonanza) richiede un bilanciamento considerevolmente più complesso e rifinito, poiché la flessione vibratoria del medesimo rotore sposta ulteriormente gli sbilanciamenti dalla linea centrale di rotazione del rotore e porta ad eccitazione amplificata e a risposta vibratoria durante il funzionamento in o vicino alla velocità critica. Ciascuna velocità critica ha associata alla medesima un’unica e differente sagoma di modo naturale o critica, in modo che il funzionamento alla o presso ciascuna velocità critica richiede un’unica e differente correzione di bilanciamento su due piani. Di conseguenza, mentre rotori a bassa velocità possono essere completamente bilanciati in due piani di correzione, rotori funzionanti fino o attraverso una singola velocità critica dovrebbero essere bilanciati in quattro piani; rotori funzionanti fino a o attraverso due velocità critiche dovrebbero essere bilanciati i sei piani; e, in generale, rotori funzionanti fino o attraverso N velocità critiche dovrebbero essere bilanciati in 2(N+1) piani. Questo procedimento è chiamato bilanciamento a piani multipli, o ad alta velocità o modale ed è convenzionale.

Fondamentale per questa esigenza è la necessità di azionare effettivamente il rotore, nel corso del suo bilanciamento, in corrispondenza o vicino a ciascuna delle N velocità critiche (e anche a bassa velocità) per raccogliere gli (N+l) gruppi di dati di reazioni di cuscinetti. Questi dati vengono quindi risolti matematicamente in una specifica di correzione di bilanciamento che deve essere fatta a ciascuno degli 2(N+1) piani di correzione di bilanciamento. In pratica, questo procedimento di bilanciamento è spesso fatto localmente, quando la macchina è prima istallata o subisce revisioni o riparazioni periodiche. Se l'accesso ai piani di correzione di bilanciamento non è pratico localmente, allora il rotore può essere bilanciato in un'attrezzatura specifica. Ma ci sono dei problemi significativi di fattibilità e di costo che devono essere risolti nella prova dei componenti, particolarmente con macchinario ad alta potenza. Ne deriva una necessità fondamentale di raggiungere gli effetti benefici del bilanciamento ad alta velocità senza azionare effettivamente il rotore ad alta velocità nel corso dell’operazione di bilanciamento.

Di conseguenza, uno scopo della presente invenzione è di realizzare un perfezionato metodo per bilanciare un rotore.

Un altro scopo della presente invenzione è di realizzare un perfezionato metodo di bilanciamento che sia capace di ridurre sbilanciamento ad alta velocità bilanciando con un perfezionato metodo di bilanciamento a bassa velocità.

Un altro scopo della presente invenzione è di utilizzare sbilanciamenti generici e sagome di modo di un rotore in bilanciamento a bassa, velocità del rotore per migliorare il bilanciamento ad alta velocità.

Un altro scopo della presente invenzione è di realizzare un perfezionato bilanciamento ad alta velocità di un rotore utilizzando un convenzionale equipaggiamento di bilanciamento a bassa velocità.

Un altro scopo della presente invenzione è di realizzare perfezionati rotori bilanciati secondo il perfezionato metodo di bilanciamento.

Le caratteristiche che si credono tipiche dell'invenzione sono esposte qui in fondo. L’invenzione, secondo esempi di realizzazione preferiti, assieme con ulteriori suoi scopi e pregi, è più particolarmente descrìtta nella seguente descrizione dettagliata presa assieme con gli allegati disegni, nei quali:

la figura 1 è una rappresentazione schematica di un turbomotore a gas contenente un rotore bilanciato secondo una realizzazione preferita della presente invenzione.

La figura 2 è una vista prospettica del rotore fissato alla turbina a bassa pressione illustrato in figura 1, isolato dalla medesima.

La figura 3 è una rappresentazione schematica del rotore mostrato in figura 2 illustrante una rappresentazione di distribuzione finita di massa del rotore. La figura 4 è una vista in sezione di una porzione del rotore illustrato in figura 2 mostrante la derivazione di una sezione di massa per la distribuzione illustrata in figura 3.

La figura 5 è una vista in sezione da un estremo della sezione del rotore illustrato in figura 4, preso lungo linee 5-5.

La figura 6 è una rappresentazione schematica di una generica distribuzione ad arco di sbilanciamento del rotore illustrato nelle figure 2 e 3.

La figura 7 è una vista schematica in sezione di mezzi per misurare scentramento radiale del rotore illustrato in figura 2.

La figura 8 è una rappresentazione schematica di una generica distribuzione di sbilanciamento sporgente del rotore illustrato nelle figure 2 e 3.

La figura 9 è una rappresentazione schematica di una generica distribuzione di sbilanciamento inclinato del rotore illustrato nelle figure 2 e 3.

La figura 10 illustra un grafico tracciante ampiezza massima di vibrazione di un rotore in funzione della velocità di rotazione del medesimo rotore.

La figura 11 è una rappresentazione schematica di una prima sagoma di modo del rotore illustrato nelle figure 2 e 3.

La figura 12 è una rappresentazione schematica di una seconda sagoma di modo del rotore illustrato nelle figure 2 e 3.

La figura 13 è una rappresentazione schematica di una terza sagoma di modo del rotore illustrato nelle figure 2 e 3.

La figura 14 è una rappresentazione schematica di una macchina bilanciatrice a bassa velocità.

La figura 15 è una rappresentazione schematica del rotore illustrato in figura 2, illustrante tre piani di correzione per un bilanciamento su tre piani.

La figura 16 è una rappresentazione schematica del rotore illustrato in figura 2, mostrante quattro piani di correzione per bilanciamento su quattro piani. L'invenzione in una realizzazione preferita contiene un metodo a bassa velocità per bilanciare un rotore che contiene l'uso di una sequenza di bilanciamento a bassa velocità per determinare primi valori di correzioni di bilanciamento misurati applicabili al rotore a primi e secondi piani di correzione per bilanciare uno sbilanciamento misurato del rotore rotante ad una velocità di prova;

l’effettuazione ad un terzo piano di correzione di una terza correzione al rotore che è una predeterminata porzione di almeno uno dei primi valori della prima e seconda correzione misurata, la proporzione essendo predeterminata per correggere un predeterminato sbilanciamento del rotore per una predeterminata sagoma di modo del rotore associata con una velocità del rotore maggiore della velocità di prova senza far ruotare effettivamente il rotore alla velocità maggiore per misurare sbilanciamento;

la ripetizione della la sequenza di bilanciamento a bassa velocità per il rotore avente la terza correzione allo scopo di determinare secondi valori delle prime e seconde correzioni misurate al primo e al secondo piano di correzione;

l'effettuazione della prima e seconda correzione misurata del rotore al primo e secondo piano di correzione.

In esempi di realizzazione dell’invenzione il metodo è applicato a bilanciamento su tre piani e quattro piani del rotore.

L’invenzione contiene anche un rotore bilanciato secondo il metodo dell’invenzione.

In figura 1 è illustrato uno schema di un esempio di turbomotore a gas 10. Il motore 10 contiene un convenzionale ingresso 12 seguito a sua volta da un convenzionale compressore assiale e centrifugo 14, da un combustore 16, da una turbina ad alta pressione (HPT) 18 a due stadi e da una turbina a bassa pressione (LPT) 20 a due stadi. L'HPT 18 aziona il compressore 14 ed entrambi sono collegati fissamente ad un albero 22, che è sostenuto ai due estremi in cuscinetti 24 per rotazione attorno ad un asse di rotazione, o asse centrale di rotazione 26 del motore 10.

L’LPT 20 è collegato fissamente ad un rotore 28, che contiene un albero cavo 30, ad una flangia anulare 32 presso un suo estremo. L’estremo opposto dell’albero azionatore 30 è munito ad un albero di uscita 34 che è collegato ad un elemento azionato, come un’elica o un rotore di elicottero (non mostrato). L’albero di azionamento 30 è disposto coassialmente entro l’albero 22 ed è sostenuto ad un estremo anteriore da un primo cuscinetto 36 e ad un estremo posteriore da un secondo cuscinetto 38, che nella realizzazione illustrata comprende una coppia di cuscinetti distanziati tra di loro. L'albero dì azionamento 30 è sostenuto nel primo e secondo cuscinetto 36 e 38 per rotazione attorno all’asse di rotazione 26.

L’albero di azionamento 30 è un lungo albero sottile che funziona a velocità di rotazione, comprese velocità supercritiche fino a circa 22.000 giri al minuto. Tali velocità relativamente alte richiedono bilanciamento del rotore 28 per assicurare prestazioni accettabili. Un rotore 28 può essere convenzionalmente bilanciato usando un convenzionale equipaggiamento di bilanciamento a bassa velocità. Tuttavia, poiché l’albero 30 è relativamente lungo e sottile, e poiché il funzionamento del rotore 28 nella realizzazione illustrata contiene velocità supercritiche che inducono flessioni vibratorie dell’albero 30, un convenzionale bilanciamento a bassa velocità non può compensare tale flessione vibratoria.

La presente invenzione comprende un metodo di bilanciamento a bassa velocità che permette una correzione di bilanciamento ad alta velocità su piani multipli (cioè tre o più piani) che sia fatta su rotori in semplici convenzionali macchine di bilanciamento a bassa velocità, senza la necessità di farli funzionare ad alta velocità localmente o in complesse e costose attrettature specifiche. Il metodo raggiunge la maggior parte dei benefici dell’effettivo bilanciamento ad alta velocità o modale o vero bilanciamento a piani multipli senza te corrispondenti spese e complicazioni. Questo viene eseguito utilizzando altri dati sul generico comportamento dinamico del particolare rotore (cioè la sua sagoma o le sue sagome di modo naturale o critico) e dati sulla configurazione generica e sulla fabbricazione del particolare rotore (cioè la sua configurazione generica derivata di distribuzione di sbilanciamento).

Come qui usato, il termine "bassa velocità" riguarda quelle velocità di un rotore al di sotto della prima o fondamentale velocità critica del rotore al quale il rotore si comporta sostanzialmente come un corpo rigido durante la rotazione senza un significativo grado di flessione. A bassa velocità, il rotore può essere soddisfacentemente bilanciato in due piani. Il termine "alta velocità" riguarda quelle velocità presso o al di sopra della prima velocità critica.

Il metodo di bilanciamento è iniziato specificando prima il numero e le posizioni dei piani di correzione di bilanciamento che sono richiesti per il particolare rotore. Il numero di piani scelti (tre o più) non è ristretto ad un numero pari e viene scelto sulla base di noti criteri, come numero e natura delle sagome critiche di modo da incontrare nel funzionamento e complessità della distribuzione di sbilanciamento che deve essere compensata. Quando si sceglie una regola di bilanciamento, la regola di bilanciamento è una specifica per un procedimento con un numero J di sequenze di bilanciamento a bassa velocità ed implicante un numero I di fattori di bilanciamento K., dove J e I sono una funzione del numero di prescelti piani N di correzione di bilanciamento come segue:

Qui sotto viene descritta una regola di bilanciamento per tre piani di correzione, che è generalmente rappresentativa del procedimento per specificare la correzione di sbilanciamento per il piano centrale di un sistema con un numero dispari di piani di correzione e anche una descrizione di una regola di bilanciamento per quattro piani di correzione, che è generalmente rappresentativa del procedimento per specificare le correzioni di bilanciamento per qualsiasi coppia simmetricamente sequenziale di piani. I fattori di bilanciamento K sono determinati mediante gli specifici procedimenti di esempio.

Prima, si determina una descrizone matematica del rotore 20, di generici sbilanciamenti del medesimo e di sue sagome di modo.

Più particolarmente, in figura 2 è illustrata una vista prospettiva isolata del rotore 28 illustrato in figura 1. Il rotore 28 contiene inoltre una linea centrale longitudinale geometrica 40 che è di preferenza allineata in coincidenza con l’asse di rotazione 26 quando il rotore 28 è installato nel motore 10.

I

In figura 3 è illustrata una rappresentazione schematica esemplare del rotore 28 di figura 2. Il rotore 28 può essere rappresentato da un numero finito di distinte masse Ws, ciascuna posizionata ad una distanza lungo la linea centrale 40 da un piano di riferimento 42. Benché 18 masse Ws (cioè s = 1, 2, 3... 18) siano illustrate per semplicità di disegno, si può usare un numero qualsiasi di masse W e in una realizzazione analizzata vennero usate SO masse. La posizione delle masse Ws viene scelta coincidente con caratteristiche preminenti del rotore 28, come, per esempio, la flangia 32, le posizioni dei cuscinetti di sostegno e dei piani di correzione di bilanciamento. In figura 4 è illustrata una sezione rappresentativa del rotore 28 mostrante una porzione di una lunghezza finita Ls che verrà attribuita alla stazione di massa s posizionata alla distanza Xs dal piano di riferimento 42. Facendo ancora riferimento alla figura S, che è una vista in sezione ad un estremo del rotore 28, è facilmente evidente che una quantità di massa Ws può essere attribuita alla porzione del rotore 28 di lunghezza Ls, che è semplicemente definita come la densità della porzione tubolare Ls per il volume materiale di quella porzione.

Di conseguenza, la presentazione matematica del rotore 28 di figura 2 può sssere generata come illustrato nelle figure da 3 a 5. Poiché la flangia 32 del rotore 28 rappresenta una massa o sporgenza relativamente grande, questo viene rappresentato schemativamente da un circolo piu grande in figura 3. Una caratteristica importante della presente invenzione è la ricognizione di generici sbilanciamenti associati con un tipo o famiglia di rotori 28. Come sopra descritto, e per facilitare la richiesta sequenza di calcoli, il rotore 28 è definito come un numero S di posizioni assiali Xs lungo la sua linea centrale 40. Una porzione opportuna della massa di rotore Ws è assegnata a ciascuna posizione, come in figura 3. Un generico sbilanciamento può essere specificato come una piccola eccentricità o spostamento Εs dalla linea centrale di rotazione 26 di ciascuno dei centri di gravità di questi elementi individuali di massa Ws, come illustrato in figura 4. Per una data configurazione di albero, fabbricato secondo un particolare procedimento, la disposizione di eccentricità generalmente non sarà arbitraria o casuale. In lunghi alberi sottili, come l’albero 30, si può determinare sulla base di misure sistematiche che un contributo significativo allo sbilanciamento è dato da qualche piega o arco costruito nell’albero che verrà percepito come una distribuzione di sbilanciamento mostrata in figura 6.

La figura 6 illustra per misura di un effettivo rotore 28 o per campionamento, o per campionamento statistico, di rotori 28 di un tipo di famiglia, un generico sbilanciamento rappresentante un arco o piega del rotore 28 in un profilo generalmente arcuato o concavo attorno all’asse di rotazione 26.

Per esempio, come illustrato in figura 7, il rotore 28 può essere piazzato su due convenzionali sostegni 44 su una tavola di riferimento 46. Un rotore 28 è fatto ruotare lentamente sui sostegni 44 e il diametro esterno del rotore 28 rispetto alla tavola di riferimento 46 può essere misurato con qualsiasi mezzo convenzionale 48, come un compasso a quadrante, per esempio, per misurare (o scentramento del rotore 28 sulla sua intera lunghezza assiale.

Facendo riferimento alle figure da 4 a 6, lo scentramento del rotore 28 può essere usato per rappresentare l’eccentricità Es del centro di gravità dell’elemento di massa Ws rispetto all’asse di rotazione 26. Usando questo procedimento, il generico sbilanciamento ad arco del rotore 28 è definito come illustrato in figura 6.

Quando un lungo albero sottile ha una larga flangia relativamene pesante o disco attaccata, come la flangia 32, l’eccentricità del centro di gravità di tale disco dall’asse di rotazione 26 può essere un primo contributo allo sbilanciamento del rotore, come mostrato in figura 8.

La figura 8 mostra un secondo tipo di generico sbilanciamento o sbilaciamento sporgente, che, come illustrato, mostra che la flangia 32 è eccentrica rispetto all’asse di rotazione 26 di una quantità Es· Tutte le altre unità di massa Ws del rotore 28 hanno centri di gravità che sono coincidenti con l’asse di rotazione 26, cioè Es è uguale a zero.

Se il rotore 28 è montato su un altro componente mediante un accoppiamento che non è vero, può risultare una distribuzione di sbilanciamento come quella mostrata in figura 9. La figura 9 illustra il generico sbilanciamento di inclinazione del rotore 28 che capita quando il rotore 28 è istallato nel motore 10, in modo che sia inclinato rispetto all’asse di rotazione 26.

Un quarto sbilanciamento generico può essere attribuibile a variazioni di spessore T attorno alla circonferenza dell’albero cavo 30, come misurato nella sezione illustrata in figura S.

Un secondo parametro richiesto secondo l'invenzione è sagoma di modo di vibrazione associata con una velocità critica alla quale capita una risonanza naturale. In figura 10 è illustrato un esempio di grafico tracciante l'ampiezza massima di vibrazione del rotore 28 in funzione della velocità di rotazione del rotore 28. Convenzionali tecniche, comprendenti analisi e prove, sono disponibili per determinare le velocità critiche, cioè la velocità alla quale capita una risonanza del rotore 28 e la distribuzione di spostamenti, che può essere normalizzata, la quale descrive la sagoma di modo di rotazione del rotore 28.

La figura 10 illustra le prime tre velocità critiche S1 S e S del rotore 28 alla quale capitano rispettivamente le prime tre sagome di modo critiche o naturali. E' evidenti che ampiezze relativamente grandi di vibrazioni capitano a queste tre velocità critiche e anche leggermente sotto e sopra ciascuna velocità critica con l’ampiezza che si avvicina a zero a velocità lontano dalle velocità critiche. Il rotore 28 si comporta come un corpo rigido con generalmente poca ampiezza di vibrazioni dovuta alla flessibilità del rotore 28 a tali velocità lontano dalle velocità critiche. Il rotore 28 si comporta come un corpo flessibile alle velocità in corrispondenza e vicino alle velocità critiche. Nell’esempio di realizzazione illustrato, il rotore 28 funziona attraverso la prima velocità critica S1 di circa 12.090 giri al minuto e fino a circa 22.000 giri al minuto. Poiché ruota durante parte di questo funzionamento a velocità supercritiche, è desiderabile l’introduzione di correzione di bilanciamento per migliorare un bilanciamento supercritico.

Le velocità critiche del rotore 28 e le sagome di modo associate con il medesimo possono essere convenzionalmente determinate sia per il rotore 28, come illustrato in figura 2 tolto dal motore 10 o, di preferenza, per il rotore 28 istallato nel motore 10, come illustrato in figura 1. Poiché lo scopo della presente invenzione è di ridurre sbilanciamenti del rotore 28 durante il funzionamento del motore 10, è preferibile che le velocità critiche e le sagome dì modo del rotore siano massimamente simili a quelle effettivamente capitanti nel motore 10. La precisione di determinazione delle velocità critiche e le rispettive sagome di modo alterano semplicemente il grado di miglioramento attribuibile alla presente invenzione.

Nelle figure 11, 12 e 13 sono illustrate le tre sagome di modo 1, 2 e 3 del rotore 28 che capitano in corrispondenza e vicino alle prime tre velocità critiche S1 S e S3, rispettivamente, come illustrato in figura 10. Le sagome di modo 1, 2 e 3 sono definite mediante una deflessione normalizzata Ys a ciascuna stazione s di unità di massa posizionata sulla distanza Xs dal piano di riferimento 42 per ciascuna delle velocità critiche S1 S2 e S3, come illustrato nelle figure da 11 a 13.

La sagoma 1 di primo modo illustrata in figura 11 è generalmente nella forma di mezza onda sinusoidale ed ha un'ampiezza massima capitante vicino al centro del rotore 28, che è convenzionalmente definito come anti nodo.

La sagoma 2 di secondo modo illustrata in figura 12 è generalmente nella forma di un'onda sinusoidale completa che ha due antinodi 50 di fase opposta.

La sagoma 3 di terzo modo illustrata in figura 13 è generalmente nella forma di un’onda sinusoidale e mezza ed ha tre antinodi 50 con i due antinodi 50 più vicini agli estremi esterni del rotore 28 in fase tra di loro e fuori di fase rispetto al terzo antinodo 50 disposto vicino al centro del rotore 28.

Come sopra descritto, un convenzionale bilanciamento a bassa velocità utilizza due piani di correzione distanziati, cioè un primo piano di correzione 52 e un secondo piano di correzione 54, come illustrato nell’esempio di rotore 28 mostrato nelle figure 2 e 7. Il rotore 28 contiene anche due pieni anulari di correzione, cioè un primo pieno di correzione 56 e un secondo pieno di correzione 58, pure illustrati nelle figure 2 e 7. I piani di correzione 52 e 54 sono disposti attraverso il centro dei piedi di correzione rispettivamente 56 e 58.

Ancora, come sopra descritto, allo scopo di introdurre nel metodo di bilanciamento a bassa velocità della presente invenzione una correzione per sbilanciamento ad alta velocità del rotore 28, si richiedono addizionali piani di correzione ciascuno associato con una predeterminata combinazione di una generica distribuzione di bilanciamento e di sagoma di modo. Per esempio, per un bilanciamento a tre piani si utilizza una singola coppia della predeterminata combinazione di distribuzione generica di sbilanciamento e di sagoma di modo e per un bilanciamento su quattro piani si utilizzano due coppie.

Risulta evidente che parecchie combinazioni di sbilanciamenti generici e di sagome di modo sono possibili da quelle illustrate nelle figure 6, 8, 9 e 11 -13. Per un esempio di realizzazione dell’invenzione utilizzante il rotore 28 illustrato in figura 1, una prima combinazione di distribuzione generica di sbilanciamento e di sagoma di modo è illustrata come la combinazione dello sbilanciamento arcuato di figura 6 e della sagoma di primo modo di figura 11. La seconda combinazione di distribuzione generica di sbilanciamento e di sagoma di modo è illustrata come la combinazione dello sbilanciamento sporgente di figura 8 e della sagoma di primo modo di figura 11.

Poiché l’albero 30 del rotore 28 è relativamente lungo e sottile, la generica distribuzione dì sbilanciamento arcuato, come illustrata in figura 6, è tipicamente presente. Poiché il rotore 28 contiene anche una flangia relativaemnte pesante 32, che è soggetta ad essere lavorata eccentrica rispetto all’asse di rotazione 26, la generica distribuzione di sbilanciamento sporgente illustrata in figura 7 è pure tipica di questo tipo di rotore 28.

Inoltre, Il rotore 28 del motore 10 illustrato in figura 1 funziona a velocità fino a gira 22.000 giri al minuto, che è bene al di sopra della prima velocità critica di flessione S1 di circa 12.070 giri al minuto, come illustrato in figura 10 e ben al di sotto della seconda velocità critica di flessione S . Perciò, solo la sagoma 1 di pirmo modo, come illustrata in figura 11, è un fattore influenzante. Tuttavia, per altri rotori funzionanti vicino alla seconda velocità critica S di figura 10, varie combinazioni della distribuzione generica di sbilanciamento e di sagome di modo, comprendenti la seconda sagoma di modo 2 illustrata in figura 12, potrebbero essere usate per ridurre sbilanciamento al funzionamento del rotore vicino alla seconda velocità critica S2-Secondo una realizzazione preferita ed esemplificativa della presente invenzione, il metodo di bilanciare a bassa velocità il rotore 28 avente l’asse di rotazione 26 contiene una fase (a) di sequenza di bilanciamento a bassa velocità contente (1) far prima ruotare il rotore 28 attorno all'asse di rotazione 26 ad una bassa velocità di prova St, che è minore della prima velocità crìtica S1 associata con la prima frequenza naturale o sagoma di modo 1 del rotore 28, come illustrato in figura 10.

Questa prima fase può essere eseguita su qualsiasi convenzionale macchina bilanciatrice 60 a bassa velocità come, per esempio, un bilanciatore Gisholt, fabbricato dalla Gilman Engineering and Manufacturing Company di Jamesville, Wisconsin, una filiata della AMCA International. Il bilanciatore 60 a bassa velocità è illustrato schematicamente in figura 14 e contiene due sostegni 62 di albero sui quali è sostenuto per rotazione il rotore 28, in modo che il rotore 28 ruoti attorno ad un asse centrale del bilanciatore 60, che è di preferenza il medesimo asse di rotazione 26 del motore IO. Due pieni anulari di rotazione 64 sono di preferenza forniti su un rotore 28 per appoggio ai sostegni di montaggio 62 del bilanciatore 60. La posizione dei pieni di scorrimento 64 può essere fornito sul rotore 28 dove conveniente o pratico, alla condizione che il rotore 28 sia sostenuto per girare attorno all'asse di rotazione 26. I sostegni flessibili 62 sono convenzionalmente collegati a mezzi 66 per misurare lo sbilanciamento del rotore 28 al primo e al secondo piano di correzione 52 e 54. Convenzionali mezzi 68 sono collegati al rotore 28 per far ruotare il rotore 28 verso la velocità di prova St, che è circa tra 1800 e 2200 giri al minuto. Qualsiasi valore della velocità di prova St può essere usata ed è considerata "bassa velocità" dato che il rotore 28 ruota come un convenzionale corpo rigido al dì sotto delle velocità alle quali una flessione del rotore 28 dovuta alla sua risonanza rende il bilanciamento inaccettabile. Il bilanciatore 60 contiene inoltre convenzionali mezzi 70 per determinare prime e seconde correzioni misurate M1 e M2 applicabili al rotore 28 al primo e al secondo piano di correzione rispettiva 52 e 54, per bilanciare qualsiasi sbilanciamento del rotore 28 misurato dai mezzi 66. Le correzioni misurate sono dei vettori aventi ampiezze espresse in lunghezza per massa, disposti ad una posizione angolare relativa.

I mezzi di misura 66 contengono inoltre mezzi per fornire una posizione angolare di riferimento del rotore 28 in modo che i mezzi terminatori 70 possono fornire correzioni sinistre e destre rappresentate come prodotti di massa per raggio ad una particolare posizione angolare per indicare prime e seconde correzioni richieste C1 e C2 che dovrebbero essere applicate al rotore 28 al primo e secondo piano di correzione rispettivamente 52 e 54, per bilanciare il rotore 28. Nel convenzionale metodo di bilanciamento a bassa velocità, le correzioni C1 e C2 sarebbero semplicemente uguali alle correzioni misurate M1 e M2, come indicato dai mezzi determinatori 70.

La sequenza di bilanciamento a bassa velocità della presente invenzione contiene inoltre (2) misurare sbilanciamento al primo e al secondo piano di correzione 52 e 54 del rotore 28 ruotante alla velocità di prova St e quindi (3) determinare primi valori della prima e della seconda correzione misurata rappresentati come applicabili al rotore 28 al primo e al secondo piano di correzione 52 e 54 rispettivamente, per bilanciare lo sbilanciamento misurato del rotore 28 in rotazione. Il subscritto 1 fuori parentesi viene usato con le correzioni misurate M1 e M2 per indicare che questi sono i loro primi valori. Un subscritto fuori parentesi di 2 indica un secondo valore. Similmente, l’uso di subscritti fuori parentesi indica qui sotto il rispettivo valore di parametri ripetuti.

Il metodo di bilanciamento contiene inoltre l’uso di un terzo piano di correzione 72, come illustrato in figura 14. Un pieno anulare 74 di terza correzione è fornito sul rotore 28. Il piano 72 di terza correzione è disposto al centro del pieno 74 di terza correzione. La posizione del terzo piano di correzione 72 e del pieno 74 è distanziata dalla posizione del primo e del secondo pieno di correzione 56 e 58 ed è di preferenza disposta come ulteriormente trattato qui sotto.

Il metodo di bilanciamento della presente invenzione contiene inoltre la fase (b) di effettuare al terzo piano di correzione 72 una terza correzione al rotore 28, che è una predeterminata porzione di almeno uno dei primi valori della prima e seconda correzione misurata la proporzione essendo determinata per correggere un predeterminato sbilaciamento del rotore 28 per una predeterminata sagoma di modo del rotore associata con una velocità dei rotore 28 maggiore della velocità di prova St senza far effettivamente ruotare il rotore 28 alla velocità maggiore per misurare lo sbilanciamento. In una realizzazione, la maggiore velocità è la prima velocità critica S1.

Il metodo di bilanciamento dell’invenzione contiene inoltre la fase (c) di ripetere la sequenza di bilanciamento a bassa velocità (a) sopra descritta per il rotore 28 avente la terza correzione C3 fatta per il rotore 28 allo scopo di determinare secondi valori della prima e della seconda correzione misurata al primo e al secondo piano di correzione 52 e 54.

Il metodo di bilanciamento dell'invenzione contiene anche la fase (d) di effettuare i secondi valori della prima e della seconda correzione misurate al rotore 28 in corrispondenza del primo e secondo piano di correzione 52 e 54 come prime e seconde correzione rispettivamente . La prima, la seconda e la terza correzione sono effettuate aggiungendo massa al rotore 28 al primo, al secondo e al terzo pieno di correzione rispettivamente, o togliendo massa dai medesimo. In entrambi i casi, il bilanciatore a bassa velocità 60 e il metodo dell'invenzione sono opportunamente realizzati aggiungendo o rimuovendo massa.

La fase (b) di effettuare la terza correzione al terzo piano di correzione 72 utilizza una predeterminata regola di bilanciamento, che è determinata dal numero di addizionali piani di bilanciamento maggiore di due che sono desiderati per accogliere combinazioni di sbilanciamento generico e di sagoma di modo. Per esempio, sono qui sotto descritti esempi di regole di bilanciamento per bilanciamento su tre e quattro piani.

Regola di bilanciamento per bilanciamento su tre piani

In figura 13 è illustrato un tipico rotore ad alta velocità, come il rotore 28, avente solo una correzione di bilanciamento su tre piani. Il primo e secondo piano di correzione 52 e 54 esterni di linea di base e il terzo piano di correzione aggiunto 72 hanno la loro unica localizzazione assiale Zn, dove n = 1, 2 o 3. Le localizzazioni Zn sono preferibilmente coincidenti con quelli rispettive delle localizzazioni X 5 delle masse W s . La regola di bilanciamento dalle quale è specificata la correzione C3 del terzo piano di correzione 72 è rappresentata dall'equazione vettoriale di addizine come segue:

dove

sono i primi valori delle correzioni vettoriali misurate M1 e come sopra descritto nella prima sequenza di bilanciamento a bassa velocità (a) nei primi e secondi piani di correzione 52 e 54; e

sono fattori scelti precedentemente per riflettere l’influenza della localizzazione relativa del terzo piano di correzione 72. Se il piano 72 è equidistante dai piani esterni 52 e 54, f1 e f2 possono tipicamente essere presi pari a 1,0. Se il piano 72 è più vicino al piano sinistro 52, allora f2 può, tipicamente, essere preso come un numero minore di 1,0 e anche pari a zero e f 1 può essere 1,0. Se il piano 72 è più vicino al piano destro 54, allora f 1, può, tipicamente, essere preso come un numero inferiore a 1 e anche pari a zero e f2 può essere 1,0. La scelta di f1 e f2 non è critica per lefficacia o precisione del procedimento, ma può essere rifinita mediante tentativi e errori per minimizzare il grado assoluto di sbilanciamento che può essere richiesto per un dato albero in circostanze normali. Poiché il rotore 28 contiene la flangia 32 relativamente pesante, il terzo piano di correzione 72 è di preferenza disposto più vicino alla flangia 32 e al secondo piano di correzione 54 di quanto lo sia al primo piano di correzione 52; e

K3 è un fattore costante di bilanciamento sviluppato per applicazione del metodo di simulazione di risposta dinamica su tre piani sotto descritto; e C3 è una correzione vettoriale di bilanciamento applicata al terzo piano di correzione 72.

Il metodo di bilanciamento della presente invenzione in una delle sue forme più semplici contiene la seguente regola di bilanciamento per bilanciamento su tre piani

Questa porzione della regola di bilanciamento è anche pertinente al piano intermedio di qualsiasi sistema il cui numero totale di piani di correzione sia dispari.

Una seconda applicazione della sequenza di bilanciamento a bassa velocità (a) come sopra descritta viene usata per determinare la correzione finale di bilanciamento nel primo e nel secondo piano esterno di correzione 52 e 54 rispettivamente mediante:

dove

sono i secondi valori dei vettori di correzione misurati M1 e dalla seconda sequenza di bilanciamento a bassa velocità per piani di correzione 52 e 54; e

C1 e C2 sono le correzioni vettoriali di bilanciamento applicate ai piani 52 e 54 rispettivamente.

Metodo di simulazione di risposta dinamica per predeterminare il fattore di bilanciamento K3 per bilanciamento su tre piani

Un metodo di simulazione di risposta dinamica per determinare il valore del fattore di bilanciamento viene illustrato prima per dimostrazione di calcolo di K3 per il caso più semplice del bilanciamento su tre piani.

Un rotore viene definito matematicamente come avente una predeterminata distribuzione generica di sbilanciamento producente, a ciascuna stazione s, uno sbilanciamento U s rappresentato come:

essendo il numero totale di stazioni di massa.

La sequenza di bilanciamento a bassa velocità può ora essere fatta in simulazione analitica, o in una fase di simulazione (e). Di preferenza, la prima simulazione analitica di bilanciamento a bassa velocità è calcolata usando le relazioni

dove F è lo sbilanciamento totale di forza rappresentato dalla

dove T è lo sbilanciamento totale di momento rappresentato dalla somma del prodotto

è la localizzazione risultante dello sbilanciamento totale misurata rispetto al piano di riferimento 42;

è la correzione simulata misurata richiesta nel primo piano di correzione 52; e

dove è la correzione misurata simulata richiesta nel secondo piano di correzione 54.

La correzione di bilaciamento viene determinata dalla prescelta regola di bilanciamento (per esempio quella sopra specificata nella quale f 1 e f2 sono prescelte per avere valori di 1,0) usando il fattore di bilanciamento dedotto K3 in una fase (f). La correzione viene quindi aggiunta analiticamente alla distribzuione di sbilanciamento Us, modificando Us nella posizione corrispondente al terzo piano di correzione 72 in una fase (g).

La seconda (e, in questo caso, la finale) fase (e) analitica di simulazione di bilanciamento a bassa velocità viene quindi ripetuta in una fase (h) per la distribzuione modificata Us. Questo fornisce secondi valori della prima e della seconda correzione di bilanciamento che possono quindi essere aggiunte analiticamente alla distribuzione modificata Us, modificando Us nelle posizioni corrispodenti ai piani di correzione 52 e 54 in una fase (i). Il rotore 28 "bilanciato" simulato analiticamente ha quindi una distribuzione di sbilanciamento di:

dove Bs è la distribuzione di rotore analiticamente bilanciato è la correzione n di bilanciamento applicata (per esempio n = 1, 2, 3) e per questo esempio contiene che viene aggiunta a Us alle rispettive stazioni Xs.

Il rotore simulato 28 viene quindi valutato analiticamente ad una particolare velocità critica usando una simulazione di risposta dinamica per calcolare un primo valore di un primo parametro di risposta dinamica R1 in una fase (j) come segue:

è la sopra indicata distribuzione di deflessione di sagoma di modo alla particolare velocità critica che può essere normalizzata o che può avere invece valori assoluti.

Questo parametro di risposta è proporzionale alla risposta vibratoria del rotore 28 alla velocità critica, S1, per questo esempio, come rappresentato nella sagoma di modo 1 di figura 11.

Un nuovo secondo valore del fattore di bilanciamento viene scelto in una fase (k) che differisce dalla deduzione originale per

e un secondo valore della terza correzione è calcolato

usando la regola di bilanciamento e

Il metodo contiene inoltre una fase (1) per ripetere le fasi (g)-(J) usando nvece Per ottenere un nuovo secondo valore del parametro di risposta dinamica calcolato alla velocità critica S1 che differisce dal calcolo originario per

La convenzionale e classica formula di Newton-Raphson viene quindi usata in una fase (m) per determinare il terzo valore finale del fattore di bilanciamento che porta ad un valore zero del primo parametro di riposta dinamica R1. Portando la risposta richiesta a zero si arriva a:

che può essere risolta per il valore richiesto del fattore di bilanciamento come segue:

L’intero procedimento può essere riassunto in forma tabulare come segue: Fattore di bilanciamento Parametro di risposta dinamica calcolata

Questo esempio di bilanciamento su tre piani ha introdotto nella terza correzione C3 l’influenza di uno sbilanciamento generico, per esempio lo sbilanciamento arcuato di figura 6, e una sagoma di modo, per esempio la sagoma di primo modo di figura 11.

Il metodo di bilanciamento come sopra descritto per uso da parte di un operatore impiegante una macchina bilanciatrice a bassa velocità comprende prima la sequenza di bilanciamento a bassa velocità (fase (a)) per ottenere i primi valori delle correzioni misurate per il rotore 28, che sono lette facilmente dai mezzi determinatori 70 del bilanciatore a bassa velocità 60 illustrato in figura 14 da parte del suo operatore. L’operatore quindi effettua la correzione C3, determinata dalla regola di bilanciamento (fase (b)), sul terzo pieno di correzione 74 in corrispondenza del terzo piano di correzione 72. Questo può essere eseguito rimuovendo semplicemente mediante fresatura convenzionale una predeterminata quantità di materiale alla posizione rettangolare determinata nei mezzi di determinazione 70, o mediante l'aggiunta di un'opportuna massa a 180° dall’indicata posizione angolare. A seconda del tipo di bilanciatore 60 a bassa velocità utilizzato, la posizione angolare può indicare la posizione per rimuovere o aggiungere materiale.

L'operatore quindi ripete semplicemente (fase (c)) la sequenza di bilanciamento a bassa velocità sul rotore corretto 28 e legge dai mezzi di determinazione 70 i secondi valori delle prime e seconde correzioni misurate L'operatore quindi fa semplicemente correzioni (fase (d)), che sono uguali ai secondi valori delle correzioni misurate e rispettivamente, per rimozione 0 aggiunta di massa, come opportuno, da o ai primi e secondi pieni di correzione 56 e 58 in corrispondenza dei primi e secondi piani di correzione 52 e 54 rispettivamente. Il rotore 28 è stato bilanciato nella macchina di bilanciamento a bassa velocità 60 mediante un metodo che introduce una correzione per ridurre il predeterminato sbilanciamento all'alta velocità associata con la predeterminata velocità critica e la sagoma di modo, per esempio lo sbilanciamento arcuato e la prima sagoma di modo.

Di conseguenza, qualsiasi combinazione di sbilanciamento generico e di sagoma di modo può essere utilizzata per un bilanciamento su tre piani, come quelli rappresentati nelle figure 6, 8, 9 e 11-13.

Reaola di bilanciamento per bilanciamento su quattro piani

In figura 16 viene illustrato un tipico rotore ad alta velocità, come il rotore 28, avente una correzione di bilanciamento su quattro piani. Il rotore 28 contiene (generalmente all’esterno) primi e secondi piani di correzione 52 e 54 e il terzo piano di correzione 72. Un rotore 28 contiene anche un quarto piano di correzione 76 disposto attraverso il centro di un quarto pieno di correzione 78.

Ciascuno dei piani di correzione 52, 54, 72 e 76 ha un’unica localizzazione assiale Zn, dove n = 1, 2, 3 o 4. Seguendo la prima sequenza di bilanciamento a bassa velocità (fase (a)), si può usare una delle due regole di bilanciamento alternative per specificare la correzione nei piani 72 e 76 e negli associati pieni di correzione 74 e 78 (fase (b)). La prima è basata su una misura di sbilanciamento sui piani esterni 52 e 54 come segue:

dove

sono i primi valori di correzioni vettoriali misurate

nella prima sequenza di bilanciamento a bassa velocità nei piani 52 e 54;

sono fattori costanti di bilanciamento sviluppati dall’applicazione del metodo di risposta dinamica su quattro piani sotto descritto;

sono le correzioni vettoriali di bilanciamento applicate al terzo e quarto piano di correzione 72 e 76 rispettivamente.

Alternativamente, le correzioni potrebbero essere basate su misure di sbilanciamento ai piani nei quali deve essere fatta la correzione.

dove

sono i primi valori di correzioni vettoriali misurate

nella prima sequenza di bilanciamento a bassa velocità nei piani 72 e 76; sono fattori costanti di bilanciamento sviluppati dall’applicazione del metodo di simulazione di risposta dinamica su quattro piani sotto descritto; e

sono le correzione vettoriali di bilanciamento applicate al terzo e quarto piano di correzione 72 e 76 rispettivamente.

Queste regole di bilanciamento sono anche applicabili a coppie di piani aggiunti per qualsiasi numero totale maggiore di piani di correzione. Si possono anche usare altre regole di bilanciamento basate su svariate combinazioni di

Come mostrato nella regola di bilanciamento su tre piani, la seconda sequenza di bilanciamento a bassa velocità (fase (c)) è usata per fare la correzione finale di bilanciamento nei piani esterni 52 e 54:

dove

sono i secondi valori delle correzioni vettoriali misurate e nella seconda sequenza di bilanciamento a bassa velocità nei piani 52 e 54;

sono le correzioni vettoriali di bilanciamento applicate ai piani 52 e 54 rispettivamente (fase (d)).

Metodo di simulazione di risposta dinamica per predeterminare fattori di bilanciamento per bilanciamento su quattro piani

In modo analogo a quello sopra sottilineato per bilanciamento su tre piani, un bilanciamento su quattro piani viene eseguito scegliendo prima per deduzione primi valori dei due fattori di bilanciamento Quindi, usando questi valori dei fattori di bilanciamento e la prescelta regola di bilanciamento vengono eseguiti una sequenza analitica di bilanciamento a bassa velocità e un calcolo di risposta dinamica critica (fasi (e)-(j)), separatamente, due volte una per ciascuna prescelta coppia di combinazione di distribuzione generica di sbilanciamento e di sagoma critica di modo in una fase (n). La prima coppia di distribuzione generica di sbilanciamento e di sagoma critica di modo produce un primo valore di un primo parametro di risposta dinamica La seconda coppia di distribuzione generica di sbilanciamento e di sagoma di modo critico produce un primo valore di un secondo parametro di risposta dinamica

procedimento nelle fasi -(k) e (1) per bilanciamento a bassa velocità e simulazione di risposta dinamica viene quindi ripetuta una seconda volta in una fase (0) usando un secondo valore modificato dedotto di mentre si mantiene il valore di K.4 uguale come nella prima sequenza per la prima e seconda combinazione. Questo consente il calcolo di nuovi secondi valori di parametri di risposta dinamica che possono essere usati per stabile una derivata parziale o coefficiente di influenza per l’effetto di ogni variazione in K3.

Il procedimento nelle fasi (k) e (1) viene quindi ancora ripetuto una terza volta in una fase (p) usando un secondo valore modificato dedotto di

rappresentato alternativamente come per questa terza sequenza, mentre si ripristina il valore di uguale come nella prima sequenza

Questo consente il calcolo di nuovi terzi valori dei parametri di risposta dinamica che possono essere usati per stabilire una derivata parziale o coefficiente di influenza per l'effetto di ogni variazione di K4.

Il gruppo di quattro coefficienti di influenza derivati, cioè i tre valori ciascuno di possono quindi essere usati nella formulazione di Newton-Raphson per calcolare precisamente i valori finali dei fattori di bilanciamento che porteranno ai fatto che entrambi i parametri di risposta dinamica vengono portati a zero. L'intera sequenza può essere riassunta in forma tabulare come segue:

Fattori di bilanciamento Parametri di risposta calcolati

In questo caso, la formulazione di Newton-Raphson per chiusura dei calcoli implica la soluzione delle seguenti due equazioni simultanee per e

Per analogia, l'intero procedimento può essere esteso a cinque piani o a sei piani o virtualmente a un numero qualsiasi di piani di correzione di bilanciamento per bilanciamento simulato o pseudo-alta-velocità.

Come è evidente dalla precedente descrizione, il metodo di bilanciamento su quattro piani è un'estensione del metodo di bilanciamento su tre piani sopra descritto.

Più particolarmente, la fase (b) per effettuare la terza correzione del rotore 28 descritto per il metodo di bilanciamento su tre piani contiene inoltre effettuare sul terzo piano di correzione 72 la terza correzione al rotore 28 e, in corrispodenza del quarto piano di correzione 76 una quarta correzione al rotore 28. La terza e quarta correzione sono proporzioni predeterminate di almeno una della prima e seconda correzione misurata

e e contengono il fattore di bilanciamento e il fattore di bilanciamento K4 . Le proporzioni sono predeterminate per correggere due combinazioni di predeterminato sbilanciamento del rotore 28 e la predeterminata sagoma di modo del rotore 28 associata con una velocità del rotore 28 maggiore delle velocità di prova St senza far ruotare effettivamente il rotore 28 alla maggiore velocità per misurare lo sbilanciamento.

Il metodo contiene inoltre la fase (n) per eseguire separatamente per il fattore di sbilanciamento K3 e per il fattore di sbilanciamento K4 , invece del fattore -33- SAIC BREVETTI SRL

di sbilanciamento K3, le fasi da (e) a (j), usando ciascuna quelle differenti delle due combinazioni di predeterminati sbilanciamento e sagoma di modo per ottenere primi valori dei primi e secondi parametri di risposta dinamica (RJ)J e <per 1 >Primi valori dei fattori di bilanciamento (K.3)j e (K_^)j. Come illustrato in figura 16, il rotore 28 usato nell'esempio di motore 10 ha il suo terzo piano di correzione 72 disposto più vicino al primo piano di correzione 52 che al secondo piano di correzione 54 e il quarto piano di correzione 76 è disposto più vicino al secondo piano di correzione 54 che al primo piano di correzione 52. La terza e quarta correzione e sono collegate alla prima e alla seconda correzione misurate in due regole di bilanciamento come segue:

C3 = K3M, e C4 « K.4M2.

Inoltre, in una realizzazione preferita, la prima combinazione del predeterminato sbilanciamento e della sagoma di modo è lo sbilanciamento arcuato illustrato in figura 6 e la prima sagoma di modo illustrata in figura 11 e la seconda combinazione è lo sbilanciamento sporgente illustrato in figura 8 e la prima sagoma di modo illustrata in figura 11.

Di conseguenza, il secondo e quarto piano di correzione 58 e 78 sono disposti ad un estremo del rotore 28 vicino alla flangia 32 e il primo e il terzo pieno di correzione S6 e 74 sono disposti all’estremo opposto del rotore 28.

In una realizzazione preferita deU’invenzione, la prima, seconda, terza e quarta correzione per la realizzazione dell'invenzione illustrata in figura 15 sono fatte rimuovendo materiale mediante mezzi convenzionali come fresatura, per esempio, dal primo, secondo, terzo e quarto pieno di correzione 56, 58, 74, e 78 rispettivamente e il fattore di bilanciamento K3 è entro una gamma da circa il 95% al 105% e il fattore di bilanciamento K4 è entro una gamma da circa il 95% al 105% del terzo e quarto fattore di correzione e C4 uguale a rispettivamente. Il fattore di correzione

di preferenza hanno valori di circa 1,0 per l'esempio di realizzazione.

In questa realizzazione preferita, si nota che il terzo e quarto pieno di correzione 74 e 78 sono disposti tra il primo e seecondo pieno 56 e 58 e perciò sono più efficaci per introdurre correzioni di bilanciamento per compensare la sagoma di primo modo avente un antinodo 50 vicino al suo centro.

In entrambi i metodi di bilanciamento su tre e quattro piani sopra descritti, le distribuzioni generiche di sbilanciamento sono generalmente piane. Tuttavia, il metodo secondo la presente invenzione può essere esteso a generiche distribuzioni di sbilanciamento che non sono piane risolvendo ciascun vettore di sbilanciamento a ciascuna stazione s associata con una massa rispettiva

in componenti ortogonali in due piani ed applicando quindi i precedenti metodi separatamente ai componenti in ciascun piano ortogonale. Le correzioni risultanti in ciascun piano ortogonale possono quindi essere aggiunte vettorialmente alle desiderate correzioni risultanti C3 e C4.

Di conseguenza, si osserverà che il metodo di bilanciare il rotore 28 secondo l’invenzione porta ad un perfezionato rotore avente piani addizionali di correzione per ridurre sbilanciamento dovuto a funzionamento del rotore a 0 vicino velocità critiche senza bilanciare effettivamente il rotore a tali velocità critiche. Ovviamente, il metodo è un'approssimazione del bilanciamento effettivo capitante a tali velocità critiche; tuttavia, gradi variabili di miglioramento di bilanciamento sono realizzabili in dipendenza del numero di correzioni desiderate e della precisione con quale viene determinata la distribuzione generica di sbilanciamento e le sagome di modo critico.

L'invenzione contiene anche i rotori 28 bilanciati dal nuovo e perfezionato metodo qui descritto. Per esempio, un nuovo e perfezionato rotore secondo una realizzazione della presente invenzione comprende l’albero 30 avente primo, secondo e terzo piano di correzione distanziati 56, 58 e 74 che sono associati con il primo, secondo e terzo piano di correzione 52, 54 e 72 rispettivamente. Il primo, secondo e terzo piano di correzione 56, 58 e 74 sono dimensionati e configurati per effettuare una prima, seconda e terza correzione su un rotore 28 per bilanciare il rotore a o vicino ad una velocità critica, come per esempio, la prima velocità critica S1 I pieni 56, 58 e 74 possono essere dimensionati e configurati come pieni anulari aventi le correzioni effettuate rimuovendo per fresatura una porzione dei pieni 0, alternativamente, aggiungendo, mediante mezzi opportuni, come aggiungendo ranelle sotto teste di bulloni di flangie imbullonate, masse di correzione ad opportune posizioni angolari.

Nel rotore 28, la terza correzione è proporzionale ad una prima combinazione di un predeterminato sbilanciamento del rotore 28 e ad una predeterminata sagoma di modo del rotore 28. La prima e seconda correzione sono proporzionali a sbilanciamnto del rotore 28 e alla terza correzione

Ancora nel rotore 28, la prima combinazione contiene il predeterminato sbilanciamento arcuato illustrato in figura 6 e la sagoma di primo modo illustrato in figura 11 e la seconda combinazione può contenere lo sbilanciamento sporgente, illustrato in figura 8 e la sagoma di primo modo illustrata in figura 11.

Benché siano state qui descritte quelle che sono considerate realizzazioni preferite dell’invenzione, altre modifiche del'invenzione saranno evidenti agli esperti nel ramo da questi insegnamenti e perciò si desidera proteggere tutte tali modifiche che cadono entro il vero spirito e il campo dell'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI I. Metodo per bilanciare un rotore avente un asse di rotazione comprendente: fa) eseguire una sequenza di bilanciamento a bassa velocità contenente: (1) far ruotare detto rotore attorno a detto asse di rotazione ad almeno una velocità di prova inferiore ad una velocità critica associata con una risonanza naturale di detto rotore; (2) misurare sbilanciamento ad un primo e ad un secondo piano di correzione di detto rotore rotante; (3) determinare una prima e una seconda correzione misurata applicabili a detto rotore su detto primo e secondo piano di correzione, rispettivamente, per bilanciare detto sbilanciamento misurato di detto rotore rotante; (b) effettuare ad un terzo piano di correzione una terza correzione a detto rotore che è determinata da una regola di bilanciamento ed è una proporzione predeterminata di almeno una di dette prime e seconde correzioni misurate, detta proporzione essendo predeterminata per correggere un predeterminato sbilanciamento di detto rotore per una predeterminata sagoma di modo di detto rotore associata con una velocità di detto rotore maggiore di detta velocità di prova senza far ruotare effettivamente detto rotore a detta velocità maggiore per misurare sbilanciamento; (c) ripetere detta fase (a) di sequenza di bilanciamento a bassa velocità affinchè detto rotore abbia detta terza correzione per determinare secondi valori di detta prima e seconda correzione misurate a detto primo e secondo piano di correzione; (d) effettuare detti secondi valori di detta prima e seconda correzione misurata per detto rotore a detti primi e secondi piani di correzione.
2. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1, nel quale detto rotore comprende un albero avente un primo, un secondo e un terzo pieno di correzione disposti su detto primo, secondo e terzo piano di correzione rispettivamente e detto metodo comprendente inoltre effettuare detta prima, seconda e terza correzione aggiungendo massa a detto rotore in corrispodenza rispettivamente di detto primo, secondo e terzo pieno di correzione.
3. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1, nel quale detto rotore comprende un albero avente un primo, un secondo e un terzo pieno di correzione disposti in corrispondenza di detto primo, secondo e terzo piano di correzione rispettivamente e detto metodo comprende inoltre effettuare detta prima, seconda e terza correzione rimuovendo massa da detto rotore in corrispondenza di detto primo, secondo e terzo pieno di correzione rispettivamente.
4. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1, nel quale detto terzo piano di correzione è determinato scegliendo un piano di detto rotore disposto più vicino a detto piano di correzione associato con detta almeno una di detta prima e seconda correzione misurata che all’altra delle medesime.
5. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendciazione 1, nel quale detto terzo piano di correzione è determinato scegliendo un piano di detto rotore disposto vicino ad antinodo di una determinata sagoma di modo.
6. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 5, nel quale detto predeterminato sbilanciamento di detto rotore è dovuto ad inarcamento di detto rotore.
7. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1, nel quale detto rotore contiene una flangia anulare e detto predeterminato sbilanciamento è dovuto ad eccentricità di detta flangia rispetto a detto asse di rotazione.
8. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 7, net quale detto terzo piano di correzione è determinato scegliendo un piano di detto rotore disposto più vicino a detta flangia e a detto secondo piano di correzione che a detto primo piano di correzione.
9. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione I, comprendente la fase di determinare detto sbilanciamento predeterminato e detta sagoma di modo predeterminata.
10. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 9, nel quale detto predeterminato sbilanciamento viene determinato mediante misura di scentratura per determinare uno sbilanciamento generico di detto rotore e detta predeterminata sagoma di modo viene determinata analiticamente.
11. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1 , nel quale detto sbilanciamento predeterminato di detto rotore è dovuto ad inarcamento di detto rotore.
12. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1, nel quale detto rotore comprende un albero cavo e detto predeterminato sbilanciamento di detto rotore è dovuto a variazioni di spessore di detto albero.
13. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1, nel quale: detto rotore comprende un albero collegabile in corrispondenza di primi e secondi collegamenti ad elementi adiacenti; almeno uno di detti primi e secondi collegamenti è capace di obbligare una linea centrale di detto rotore ad inclinarsi rispetto a detto asse di rotazione; detto predeterminato sbilanciamento di detto rotore è dovuto a detta inclinazione.
14. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1, nel quale detta predeterminata sagoma di modo è associata con una prima risonanza naturale di detto rotore ed ha un profilo arcuato con un antinodo di ampiezza massima.
15. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1, nel detto rotore ha una prima risonanza naturale ad una prima velocità e una prima sagoma di modo associata alla medesima e una seconda risonanza naturale ad una seconda velocità maggiore di detta prima velocità e una seconda sagoma di modo associata alla medesima, detta seconda sagoma di modo contenendo due antinodi distanziati di ampiezza massima e dove detta predeterminata sagoma di modo è detta seconda sagoma di modo.
16. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 1, nel quale detta regola di bilanciamento contiene un fattore di bilanciamento che viene determinato mediante le fasi di: (e) simulare detta sequenza di bilanciamento a bassa velocità (a) per ottenere primi valori di detta prima e seconda correzione misurate

rispettivamente richiesti per bilanciare detto rotore a causa di detto predeterminato sbilanciamento di detto rotore; (f) scegliere un primo valore di detto fattore di bilanciamento e calcolare un primo valore di detta terza correzione usando detta regola di bilanciamento su almeno uno di detti primi valori simulati di detta prima e seconda correzione misurate

(g) aggiungere detto primo valore di detta terza correzione a detto predeterminato sbilanciamento di detto rotore; (h) ripetere la fase (e) per ottenere secondi valori di detta prima e seconda correzione misurata rispettivamente, richieste per bilanciare detto rotore a causa di detto predeterminato sbilanciamento di detto rotore e di detto primo valore calcolato di detta terza correzione

(i) aggiungere detti secondi valori di detta prima e seconda correzione misurata e detto primo valore calcolato di detta terza correzione a detto sbilanciamento predeterminato di detto rotore per definire un rotore di riferimento bilanciato per detto predeterminato sbilanciamento; (j) calcolare un primo valore di un parametro di risposta dinamica di detto rotore dovuto a detta predeterminata sagoma di modo; (k) scegliere un secondo valore di detto fattore di bilanciamento

differente da detto primo valore di riferimento di detto fattore di bilanciamento e calcolare un secondo valore di detta terza correzione

(l) ripetere le fasi g, h, i e j usando detto secondo valore calcolato di detta terza correzione invece di detto primo valore calcolato di detta terza correzione per ottenere un secondo valore di detto parametro di risposta dinamica di detto rotore di riferimento dovuto a detta predeterminata sagoma di modo; (m) determinare detto fattore dì bilanciamento K3, che risulta in detto rotore dove detto parametro di risposta dinamica ha valore pari a zero.
17. Metodo per bilanciare un motore secondo rivendciazione 16, nel quale detto predeterminato sbilanciamento di detto rotore è rappresentato da una distribuzione Us di masse distinte Ws distanziate lungo detto asse di rotazione di detto rotore a distanze Xs da un piano di riferimento, dove ciascuna massa W s è disposta ad un raggio E s da detto asse di rotazione.
18. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 17, nel quale detto sbilanciamento predeterminato contiene uno sbilanciamento totale di forza F rappresentato come

e uno sbilanciamento totale di di momento T rappresentato come

dove

e dette prime e seconde correzioni misurate M1 e M2 sono determinate come segue:

dove

Zr è una posizione risultante di detto predeterminato sbilanciamento misurato rispetto a detto piano di riferimento, Zl è la posizione di detto primo piano di correzione rispetto a detto piano di riferimento, e è la posizione di detto secondo piano di correzione rispetto a detto piano di riferimento.
19. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 17, del quale detta predeterminata sagoma di modo è rappresentata da una distribuzione Ys di dette masse distinte Ws comprendente la distanza di detto asse di rotazione ad una linea centrale longitudinale spostata di detto rotore dovuta a detta risonanza naturale e nel quale detto parametro di risposta dinamica di detto rotore dovuto a detta sagoma di modo è rappresentata da:

dove

Cn rappresenta correzioni aggiunte a detto predeterminato sbilanciamento nella posizione Z1 di detto primo piano di correzione, nella posizione Z di detto secondo piano di correzione e in una posizione di un terzo piano di correzione associato con detta terza correzione
20. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 16 comprende inoltre solo tre correzioni e tre piani di correzione e nel quale detta regola di bilanciamento per ottenere detta terza correzione contiene una relazione di detta prima e seconda correzione misurate come segue:

in cui è detta terza correzione, è un predeterminato fattore di bilanciamento e f1 e f sono prescelti valori dati.
21. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 20, nel quale detti valori di f2 e f sono scelti in base all’influenza di detta terza correzione rispetto a detta prima e seconda correzione.
22. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 21, nel quale di detti valori f1 e sono direttamente proporzionali alle distanze tra detto secondo piano di correzione e detto terzo piano di correzione e tra detto primo piano di correzione e detto terzo piano di correzione rispettivamente.
23. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendciazione 22, nel quale detta fase di determinazione (m) è eseguita usando una tecnica di Newton-Raphson di chiusura per iterazione.
24. Un metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 20, nel quale detto rotore contiene una flangia ad un suo estremo; detto secondo piano di correzione è disposto vicino a detta flangia; detto terzo piano di correzione è disposto più vicino a detto secondo piano di correzione che a detto primo piano di correzione e detto fattore f è maggiore di detto fattore f1 .
25. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendciazione 16, nel quale detta fase di effettuazione (b) comprende inoltre effettuare ad un terzo piano di correzione una terza correzione a detto rotore e ad un quarto piano di correzione una correzione a detto rotore, le quali prima e seconda correzione sono proporzioni predeterminate di almeno una di detta prima e seconda correzione misurata e contiene inoltre un fattore di bilanciamento K3 e un fattore di bilanciamento e dette proporzioni sono predeterminate per correggere due combinazioni di detto predeterminato sbilanciamento di detto rotore e di detta predeterminata sagoma di modo di detto rotore associati con una velocità di detto rotore maggiore di detta velocità di prova senza far ruotare effettivamente detto rotore a detta velocità maggiore per misurare sbilanciamento, e contenente inoltre (n) eseguire dette fasi da (e) a (j) separatamente per entrambi detto fattore di bilanciamento e detto fattore di bilanciamento invece di usando quelli differenti di dette due combinazioni di predeterminato sbilanciamento e sagoma di modo per ottenere primi valori di detto primo e secondo parametro dinamico di risposta per detti primi valori di detti fattori di bilanciamento

(0) eseguire fasi (k) e (1) separatamente per un secondo valore di detto fattore di bilanciamento o usando detto primo valore di detto fattore di bilanciamento e usare quelle differenti di dette due combinazioni di predeterminato sbilanciamento e sagoma di modo per ottenere secondi valori di detto primo e secondo parametro di risposta dinamica

(p) eseguire fasi (k) e (I) separatamente per un secondo valore di detto fattore di bilanciamento o usando detto primo valore di fattore di bilanciamento e usando quelle differenti di dette due combinazioni di predeterminato sbilanciamento e sagoma di modo per ottenere terzi valori di detto primo e secondo parametro di risposta dinamica

dove detta fase di determinazione (m) contiene inoltre determinare detti fattori di bilanciamento che portano a detto rotore avente valori di detto primo e secondo parametro dinamico di risposta parti a zero per entrambe dette due combinazioni di detto predeterminato sbilanciamento e sagoma di modo.
26. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 25, nel quale detto terzo piano di correzione è disposto più vicino a detto primo piano di correzione che a detto secondo piano di correzione e detto quarto piano di correzione è disposto più vicino a detto secondo piano di correzione che a detto terzo piano di correzione, e nel quale detta terza e quarta correzione sono collegate a detta prima e seconda correzione misurate in due di dette regole di bilanciamento come segue:
27. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 26, nel quale detta fase di determinazione (m) è eseguita usando una tecnica di Newton-Raphson di chiusura per iterazione.
28. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 27, nel quale detta prima combinazione di detto predeterminato sbilanciamento e di detta sagoma di modo è inarcamento di detto rotore e una sagoma di modo associata con una prima risonanza naturale di detto rotore; detta seconda combinazione di detta predeterminato sbilanciamento e detta sagoma di modo è una massa sporgente in detto rotore e detta sagoma di modo di detto rotore è associata con detta prima risonanza naturale di detto rotore.
29. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 28, nel quale detto secondo e quarto piano di correzione sono disposti ad un estremo di detto rotore adiacente a detta flangia e detto primo e terzo piano di correzione sono disposti ad un estremo opposto di detto rotore.
30. Metodo per bilanciare un rotore secondo rivendicazione 29, nel quale detta prima, seconda, terza e quarta correzione sono fatte rimuovendo materiale da detto rotore in corrispondenza di detto primo, secondo, terzo e quarto piano di correzione rispettivamente e detto fattore di bilanciamento K3 è entro una gamma da circa il 95% al 103% e detto fattore di bilanciamento K4 è entro una gamma da circa il 93% al 103%.
31. Rotore per un turbomotore a gas bilanciato usante il metodo di rivendicazione 1.
32. Rotore per un turbomotore a gas bilanciato usante il metodo di rivendicazione 16.
33. Rotore per turbomotore a gas bilanciato usante il metodo di rivendicazione 20.
34. Rotore per turbomotore a gas bilanciato usante il metodo di rivendicazione 24.
35. Rotore per turbomotore a gas bilanciato usante il metodo di rivendicazione 25.
36. Motore per turbomotore a gas bilanciato usante il metodo di rivendicazione 30.
37. Rotore comprendente: un albero avente primo, secondo e terzo pieno di correzione distanziati; detto primo, secondo e terzo pieno di correzione essendo dimensionati e configurati per effettuare una prima, seconda e terza correzione a detto rotore allo scopo di bilanciare detto rotore ad una prima velocità; detta terza correzione essendo proporzionale ad una prima combinazione di un predeterminato sbilanciamento di detto rotore e di una predeterminata sagoma di modo di detto rotore; detta prima e seconda correzione essendo proporzionali a sbilanciamento di detto rotore e a detta terza correzione.
38. Rotore secondo rivendicazione 37, comprendente inoltre un quarto pieno di correzione, detto primo, secondo, terzo e quarto pieno di correzione essendo dimensionati e configurati per effettuare prima, seconda, terza e quarta correzione a detto rotore allo scopo di bilanciare detto rotore a detta prima velocità, detta quarta correzione essendo proporzionale ad una seconda combinazione di un predeterminato sbilanciamento di detto rotore e di una predeterminata sagoma di modo di detto rotore e detta prima e seconda correzione essendo proporzionali a sbilanciamento di detto rotore e a detta terza e quarta correzione.
39. Rotore secondo rivendicazione 38, nel quale detta prima combinazione di detto predeterminato sbilanciamento e di detta sagoma di modo è arcuamento di detto rotore e una sagoma di modo associata con una prima risonanza naturale di detto rotore; e detta seconda combinazione di detto predeterminato sbilanciamento e di detta sagoma di modo è una massa sporgente in detto rotore associata con una flangia di detto rotore e detta sagoma di modo associata con detta prima risonanza naturale di detto rotore.
40. Rotore secondo rivendicazione 39, nel quale detto secondo e quarto pieno di correzione sono disposti ad un estremo di detto rotore adiacente a detta flangia e detto primo e terzo pieno di correzione sono disposti ad un estremo opposto di detto rotore.
41. Rotore secondo rivendicazione 40, nel quale detto primo, secondo, terzo e quarto pieno di correzione contengono ciascuna una regione di rimozione di materiale per effettuare detta prima, seconda, terza e quarta correzione