Questão:
Como as grandes turbinas lidam com a assimetria e a pulsação que surge delas?
sharptooth
2015-02-24 19:39:22 UTC
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Uma grande turbina usada em uma usina elétrica pode facilmente ter mais de 10 metros de diâmetro e girar a mais de 70 RPM. Caso ocorra alguma assimetria, a turbina giratória produzirá batimento que mais cedo ou mais tarde destruirá a planta. Construir uma turbina tão grande e perfeitamente simétrica parece um desafio difícil.

Como esse problema é resolvido? Por que a batida da assimetria da turbina não causa danos mecânicos?

NB que 70+ é um pouco vago - alguns funcionam na casa dos milhares de rpm (por exemplo, turbina a gás MS9000 - 3000 rpm)
Os grandes geradores da rede elétrica não funcionam a apenas 1,2 Hz. Isso é muito lento. Eles geralmente funcionam na frequência da linha, que é de 50 ou 60 Hz, dependendo da parte do mundo em que se encontram. É o mais lento que podem funcionar, pois uma revolução é, então, um ciclo completo de saída.
@OlinLathrop, a menos que haja várias inversões magnéticas por rotação (embora improvável)
Os geradores multipolares @ratchet: existem, mas os geradores de grande porte são unipolares, tanto quanto eu sei.
Trzy respostas:
#1
+13
Olin Lathrop
2015-02-24 20:45:14 UTC
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Isso é feito com cuidado. Muitas outras máquinas rotativas têm o mesmo problema, e sistemas inteiros existem apenas para lidar com isso.

Por exemplo, os motores a jato são geralmente menores, mas geralmente giram muito mais rápido. Equilibrar um motor a jato é algo que chama muita atenção na fabricação, e novamente a qualquer momento quando é montado novamente após ter sido suficientemente desmontado. Tenho trabalhado em sistemas de metrologia projetados para medir a não circularidade de alguns µm de peças circulares com um metro ou mais de diâmetro. Grandes instalações de manutenção têm esses sistemas, além dos fabricantes.

Um método de balanceamento que vi usava um empilhamento de várias "placas". Essas placas eram estruturas semelhantes a anéis que fariam parte do sistema de fiação. Nenhuma placa poderia ser fabricada exatamente da maneira certa. O sistema de metrologia mede com precisão as assimetrias de cada placa e, em seguida, calcula a orientação que as placas múltiplas devem ser montadas juntas para fazer um objeto maior que seja balanceado com alta precisão.

Existem também outras técnicas, como construa-o da melhor maneira possível e depois equilibre-o. Na verdade, na prática, várias técnicas são empregadas, sendo o balanceamento da montagem final sempre uma delas. Isso funciona muito como o balanceamento dinâmico de pneus. A turbina é girada lentamente e as vibrações medidas em sincronia com as rotações. A partir disso, um sistema de computador calcula quanto peso adicionar ou remover de onde.

O esquema mais comum que vi é fazer orifícios ou entalhes em uma determinada área de metal deixada disponível para esse propósito. O computador dirá onde perfurar e qual diâmetro com base na análise das vibrações. Em outro caso, temos um produto eletrônico que girou como parte de sua operação normal. Neste caso, deixamos algumas almofadas de solda passantes em ângulos diferentes do eixo. O analisador de vibração então sugeriu quais almofadas preencher com solda, o que foi feito manualmente por um técnico neste caso.

Este processo geral de medição e ajuste é repetido até que as vibrações estejam abaixo de algum nível especificado. Apesar das melhores medições e algoritmos, qualquer ajuste nunca parece anular as vibrações tanto quanto deveria em teoria.

#2
+3
ratchet freak
2015-02-24 19:50:43 UTC
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Contrapesos ajustáveis.

As rodas e pneus do seu carro não são fabricados perfeitamente circulares, mas depois que o pneu é colocado (ou você vai para um reequilíbrio), o mecânico coloca os pesos para colocar o centro de massa mais perto do eixo. A turbina pode ser balanceada durante a manutenção normal de forma semelhante.

Lembre-se também de que 70 rpm é aproximadamente 1,2 Hz. E a estrutura da usina será projetada para ter uma frequência natural que não seja uma harmônica da velocidade típica da turbina.

#3
+2
alephzero
2015-02-25 05:35:07 UTC
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Os contrapesos adicionais podem não ser necessários. As lâminas individuais no rotor terão massas ligeiramente diferentes devido às tolerâncias de fabricação. Em motores de aeronaves, cada lâmina é pesada com precisão e as diferentes massas são dispostas ao redor do eixo para melhorar o equilíbrio.

Além disso, o rotor pode ser projetado para funcionar mais rápido do que sua velocidade crítica de giro em operação normal. Nessa situação, ele tende a ser autocentrado e os rolamentos podem "flutuar" em uma película de óleo, de modo que o rotor gira em torno de seu centro de massa, não de seu centro geométrico. As grandes forças de desequilíbrio ocorrem apenas por um curto período de tempo na inicialização e desligamento, quando o rotor acelera / desacelera na velocidade de rotação.

Um problema relacionado é que quando a máquina é desligada, o calor residual aumenta naturalmente e a diferença de temperatura entre o topo e o fundo pode desequilibrar o rotor. Para evitar isso, o rotor pode ser continuamente acionado a uma velocidade lenta (por exemplo, 1 RPM) quando a máquina é nominalmente "parada" até que o rotor resfrie, o que pode levar várias horas para uma grande turbina.



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