Bilanciatura

[GIGI]

In un motore turbofan di un liner le parti in rotazione girano a regimi abbastanza elevati, ne consegue che uno sbilanciamento di queste componenti, genererebbe pericolose vibrazioni, percui mi chiedevo: chi fa la bilanciatura delle parti in rotazione di tali motori, come la si esegue e quel'è lo sbilanciamento minimo tollerato.


Grazie a chi vorra' togliermi queste mie curiosita'

Ciao Steve

[Snap-on]

Domandone estremamente tecnico! Vediamo se riesco a rispondere in maniera semplice e tecnicamente comprensiva.

Ogni motore turbogetto è progettato per poter ridurre le sollecitazioni radiali e longitudinali che si creano durante il normale funzionamento dello stesso. E' quindi assolutamente imperativo che le masse in gioco siano perfettamente bilanciate in maniera da evitare ulteriori sollecitazioni sui supporti degli alberi di rotazione dei gruppi rotanti.

In sede di costruzione ogni paletta del compressore o della turbina viene preventivamente pesata per poter permettere nel corso dell'installazione sul disco del compressore o della turbina una disposizione che permetta di annullare i momenti statici e quindi bilanciare staticamente il disco turbina o quello del compressore .

Ogni gruppo di rotazione comprende un disco rotante(rotore) e uno statico (statore) che vengono poi fissati sul loro albero di rotazione. In ogni fase si assemblaggio di un gruppo di rotazione (spool) viene effettuata una bilanciatura statica . La filosofia generale è quella di posizionare le palette in maniera da poter ottenere la migliore bilanciatura statica.

Non vengono posizionate masse di bilanciamento perchè queste masse inerti potrebbero staccarsi e attraversare i vari stadi del compressore o della turbina con i danni che si possono immaginare!

Una volta assemblato il motore, al banco prova si effettuano le prove di collaudo che comprendono il controllo delle frequenze di vibrazione (vibration survey check). In linea di principio il valore delle vibrazioni sono la "firma" di quel motore e se i parametri sono all'interno dei valori di progetto , questi valori vengono registrati e considerati parametri base per quel singolo motore.

In caso di degrado dei supporti degli alberi o di qualche cuscinetto e addirittura l'erosione di palette, si determina una variazione dei valori di vibrazione che permettono alla manutenzione e all'ingegneria di determinare le condizioni dello stato del motore e prendere le adeguate decisioni.

I motori moderni , sia civili che militari, dispongono già in fase di progetto e di costruzione di pick-up di rilevamento distribuiti in maniera da determinare per ogni zona caratteristica del motore i dati di vibrazione istantanea e dare indicazione direttamente in cabina all'equipaggio e in parallelo, nella memoria ram del FADEC o di un registratore dedicato, i parametri e le frequenze di vibrazione nel lungo periodo.

Questi dati vengono poi scaricati assieme ad altri dati caratteristici di funzionamento del motore, per essere verificati e controllati ed effetturare il "trend monitoring"

Per fare un esempio, l'ultima generazione di turbofan della serie TFE731 della Honeywell permette di eseguire un'analisi immediata delle condizioni e dello stato di bilanciamento dei gruppi rotanti di alta e bassa pressione e del fan e dare già un'indicazione alla manutenzione se i parametri hanno un trend positivo in funzione degli altri parametri caratteristici del motore (n1 , n2 , ITT , posizione della manetta , condizione di accelerazone o decelerazione , quota e velocità).

Addirittura per la parte del fan viene determinata anche l'eventuale paletta che risulta sbilanciata e che deve essere sostituita o riposizionata per eliminare il momento che genera lo sbilanciamento.

Saluti

Steve

[N757GF]

In sede di costruzione ogni paletta del compressore o della turbina viene preventivamente pesata per poter permettere nel corso dell'installazione sul disco del compressore o della turbina una disposizione che permetta di annullare i momenti statici e quindi bilanciare staticamente il disco turbina o quello del compressore .

Niente bilanciamento del secondo ordine (dinamico)?. Non e` possibile che l'asse principale di inerzia non sia parallelo all'asse di rotazione?

Grazie ciao

[GIGI]

Ringrazio per la completezza della riposta, e confermo quanto in firma.
Grazie ancora.


Ciao Steve

[Snap-on]

Niente bilanciamento del secondo ordine (dinamico)?. Non e` possibile che l'asse principale di inerzia non sia parallelo all'asse di rotazione?

In linea generale ho descritto le operazioni che vengono effettuate in sede di revisione generale e assemblaggio di un turbogetto, che ho effettivamente potuto vedere e seguire in occasione di visite presso gli gli "engine shop" di alcuni costruttori e revisionatori.

Onestamente certe operazioni sono escluse dalla "capability" del settore manutenzione di una compagnia aerea o di un'officina di manutenzione, in quanto sono operazioni che solitamente sono effettuate presso il costruttore.

Non escludo che alcune operazioni , sopratutto in fase di costruzione possano riguardare anche il bilanciamento dinamico delle parti descritte nel mio precedente post, ma non avendo mai seguito o visto un'operazione del genere, mi sono limitato a descrivere quelllo che effettivamente conosco.

Saluti

Steve

[N757GF]

Onestamente certe operazioni sono escluse dalla "capability" del settore manutenzione di una compagnia aerea o di un'officina di manutenzione, in quanto sono operazioni che solitamente sono effettuate presso il costruttore.

Non escludo che alcune operazioni , sopratutto in fase di costruzione possano riguardare anche il bilanciamento dinamico delle parti descritte nel mio precedente post, ma non avendo mai seguito o visto un'operazione del genere, mi sono limitato a descrivere quelllo che effettivamente conosco.

Grazie! In effetti puo` avere senso, perche' se si fa una bilanciatura dinamica iniziale, poi se si cambiano le palette, ma si mantiene bilanciato staticamente ogni singolo stadio del rotore, il bilanciamento dinamico dovrebbe essere mantenuto abbastanza bene.

[arlem64]

La risposta di Steve Leone è una panoramica precisa e molto esaustiva per spiegare il processo della bilanciatura sui motori a turbina.
Faccio una precisazione legata al metodo utilizzato per il motore JT8D-serie 200.
La bilanciatura statica dei singoli stadi, siano essi di compressore o di turbina, bassa o alta pressione, avviene installando coppie di palette a 180° con peso pressochè uguale e seguendo poi un diagramma di montaggio tale da minimizzare lo squilibrio entro un certo limite max (ca. 144 g*mm per i compressori e valori diversi per le turbine). Nel caso tale valore max è superato, o si riposizionano le palette sul disco, magari sostituendo qualche paletta più leggera o più pesante a seconda dell'esigenza, oppure, dove è consentito, il valore max di squilibrio viene corretto utilizzando piccole masse da rivettare o bullonare in apposite zone di bilanciatura.
Poi, siccome ogni stadio avrà un suo minimo squilibrio residuo, esso verrà installato a 180° rispetto allo squilibrio residuo dello stadio precedente e successivo, in modo da annullarsi a vicenda.
Infine, i vari moduli rotanti prima di essere installati sul motore, subiranno un'equilibratura dinamica su appositi banchi ed eventuali squilibri verranno corretti con apposite masse, proprio come avviene sulle ruote delle automobili. Anche quì, per ridurre al minimo eventuali squilibri residui, i compressori vengono accoppiati sul motore con le rispettive turbine posizionando gli squilibri a 180°.
Durante il collaudo motore le vibrazioni del gruppo di bassa pressione che superano determinati limiti vengono corrette con il cosidetto Trim Balance, apponenendo determinate masse nella parte anteriore (mozzo fan) o posteriore (disco 4° stadio turbina) a seconda dell'indicazione dell'analisi spettrale.
Inutile dire che eventuali vibrazioni fuori limite del gruppo rotante di alta pressione non può essere corretta con Trim Balance. In questo caso bisogna eseguire uno smontaggio del motore mirato all'individuazione della causa.
Ciao.

[Snap-on]

Non avendo mai partecipato ad un assemblaggio di revisione o di costruzione, di certe informazioni non ero a conoscenza.

Però adesso ho io ina domanda da porre: ma il Trim Balance che si usa in fase di controllo nel Test Cell per il P&W, è lo stesso che si usa in fase di controllo di prestazione sul velivolo o è molto più restrittivo in termini di picco di frequenza ?

Saluti

Steve

[arlem64]

Il limite è lo stesso dettato da casa madre. Infatti, il manuale motore Pratt & Whitney (quello usato da MR&O) da come limite di accettabilità 3.0 mils, al di sopra del quale il motore non è aeronavigabile.
Poi a questo limite ci sono altre considerazioni tecnico qualitative che i vari contratti tra M.R.&O. e Operatori possono contenere per ribassare questo limite.

Ciao.

[batchman]

Scusate se mi intrometto, non prima di aver ringraziato quelli che mi hanno dato il benvenuto. (ma la pilotina e' quella del pilota del porto di La Valletta).
Nel mio settore, non direttamente legato alla navigazione aerea, usiamo macchine che si chiamano aeroderivative e cioe' gruppi compressore assiale-turbina a gas che servono esclusivamente come generatori di gas, fluido motore che viene poi sfruttato da altra turbina accoppiata a macchina operatrice.
Il bilanciamento dinamico delle nostre parti viene fatto in tunnel sotto-vuoto in appositi banchi prova ed il fine-balancing si fa con l'asportazione meccanica di piccoli spessori su una superficie.
Le velocita' di rotazione del generatore di gas sono quelle aeronautiche, quelle delle turbine a gas variano intorno ai 6000-8000 RPM.
Gli apparati ausiliari di servizio sono terrestri con pesi ovviamente non paragonabili a quelli "volanti" ma i fluidi, per esempio l'olio di lubrificazione sono quelli originali.
Quindi, grazie all'esperienza in volo, le macchinucce nostre sono estremamente affidabili....

saluti

p.s.
divertente l'accoppiamento che il glossario automatico, credo built-in del forum, fa con le parole rotazione e trim anche quando non si riferiscono alla fusoliera...

[Snap-on]

Grazie Arlem64 per la risposta! se hai altre "chicche" da raccontare , sempre interessato!

Nel mio settore, non direttamente legato alla navigazione aerea, usiamo macchine che si chiamano aeroderivative e cioe' gruppi compressore assiale-turbina a gas che servono esclusivamente come generatori di gas, fluido motore che viene poi sfruttato da altra turbina accoppiata a macchina operatrice.

Io conosco la LM2500 della Fiat , che derivava da un motore della General Electric. Di altre installazionei "navali" non conosco e non ho esperienza!

Saluti

Steve

[pinetto]

si parlava di questa? mi pare che pure il dc10 ha un motore simile.........

[Snap-on]

Si esatto Pino!

La LM2500 deriva dal General Electric CF6 che equipaggiava anche i DC10 !

Mi ricordo che era nata come installazione militare , ma poi fu venduta anche per il mercato civile.

Bell'Hardware ,non è vero?

Saluti

Steve

[pinetto]

eh si, solo che sono antieconomiche, bevono un pò troppo.....

[batchman]

Esatto.
Ma ora non navigo piu' e le installazioni cui mi riferivo sono quelle "mechanical drive" dei compressori delle stazioni di pompaggio gas.
Ce ne sono 4 nel paese del colonnello che spingono nel "green stream" un bel po' di milioni di metri cubi al giorno di gas in Sicilia....
grazie per le risposte

Raf



(sono appena tornato dal paese di questi)

[Icaro00]

Ciao a tutti, vorrei chiedere a qualche equipaggio una informazione prendendo lo spunto sul ... bilanciamento.. dei motori. In cockpit ho due strumenti ( se bimotore ) che mi misurano il livello di vibrazioni istantanee dei motori. Sono tarati "generalmente" con valori da 1 a 5 senza pero' nessuna unità di misura come se fosse un valore .. assoluto, e senza scale colorate che delimitano un range particolare. Ho la licenza PPL e su vari testi che consulto per aggiornarmi ho trovato diverse indicazioni in merito . Pero' mentre lo scopo ed il funzionamento dello strumento mi è chiaro vorrei capire meglio quali sono le azioni che i piloti fanno qualora rilevano valori elevati ( ! ) . Mi chiedo : il valore ideale è lo zero ? Se questo aumenta .... che si fa ? C'e' un limite sotto il quale le vibrazioni sono tollerabili ? Posso trovare corrispondenza con altri strumenti che possono approfondire l'eventuale problema ?
Grazie ancora a tutti
Giovanni

[Snap-on]

L'indicazione in cabina è un indice di riferimento che serve a verificare istantaneamente dall'equipaggio di condotta le eventuali anomalie che si possono verificare nel corso del normale funzionamento dei motori.

All'equipaggio non interessa conoscere il valore di di frequenza che il motore genera , ma verificare e monitorare che non ci siano progressivi o repentini aumenti di questo indice.

Un incremento potrebbe chiaramente dare indicazion che qualcosa è successo o sta per succedere all'interno del propulsore.

I valori reali che danno indicazioni sullo stato dei vari spool di rotazione e della gear box, vengono rilevati da un sistema di recording che in taluni motori è un'unità a se stante, oppure facente parte del FADEC.

Il costruttore stabilisce degli intervalli a cui fare il download dei dati memorizzati (ETCM) (Engine Trend Condition Monitoring) dove è possibile "vedere " le condizioni del motore.

Tra i vari dati in lettura ci sono i diagrammi di vibrazione che servono a verificare , tramite l'analisi delle frequenze da quale parte del motore si sta avendo un degrado o un consumo anomale che produce l'incremento della vibrazione.

Tali analisi vengono fatte anche in occasione della sostituzione di qualche paletta del fan o in caso di FOD e relativa riparazione "sul campo" delle palette.

Saluti

Steve

[Black Magic]

Nei test che conduco sui front fan tolleriamo fino a 4.0 mms^2 e trattandosi di prototipi, sia fa largo uso di washers imbullonate sull`hub del rotore.
A me arrivano gia` bilanciati, ma a volte devo richiedere l`intervento direttamente in galleria; perche`intercambiando diversi profili di pala sullo stesso hub (succede a volte per velocizzare le procedure e non attendere i tempi di consegna di un nuovo impeller dal montaggio), cambiano le caratteristiche di equilibrio dinamico del rotore.

Allora si attiva una procedura di bilanciamento dinamico (valida entro certi limiti) che succede a quello statico che e` stato cosi` bene spiegato sopra.
Non e` cosa di mia competenza (mi occupo di aeroacustica), ma mi e` capitato di assistere alla procedura molte volte.
Si posizionano delle sonde accelerometriche piezoelettriche in vari punti del rotore e della cassa.
Un software, tramite anche misure tachometriche e in base ad una massa campione messa sulla radiale di pala 0, fa l`analisi spettrale dei modi di vibrazione e indica quanto correggere e su quale radiale del mozzo.
un saluto

[Black Magic]

Sui CFM56 dei 319 EZY il bilanciamento del FAN posso farlo on-board,
quando il valore di vibrazione del FAN si avvicina il limite, c'è un trucchetto per riportarlo in basso....................................................,
ma questo dovrete scoprirlo Voi.....................................................,


Ciao

mmm.....

...ma sul manuale lo trovo o e` un` "Eresia" originale?
ciao

[Snap-on]

Sui CFM56 dei 319 EZY il bilanciamento del FAN posso farlo on-board,
quando il valore di vibrazione del FAN si avvicina il limite, c'è un trucchetto per riportarlo in basso

Questa non la so! Si vede che sono rimasto indietro!

Su quello del 737 si andava di molikote!

Saluti

Steve

[Black Magic]

Che scaltri...
E io ingenuotto (e contorto) che pensavo vi metteste a modificare gli angoli di calettamento per variare il carico palare...
Davvero non ne avevo la minima idea.
grazie

un saluto

[Icaro00]

Ringrazio per le precisazioni. Presumendo che le vibrazioni in condizioni di crociera, ad esempio , debbano essere prossime allo zero ( con relativa lancetta sullo zero ) se il loro valore si porta a "due" penso che "qualcosa" dovrebbe innescare nel cockpit. Probabilmente potrei avere qualche riscontro nei valori di ITT N1 o N2 , percepire in cabina rumori e/o vibrazioni .... dipende dalla situazione. C'e' un valore oltre al quale ( come pilota ) devo intervenire ? Che ne so ....shutdown del motore ?
Ciao e grazie ancora
Giovanni

[Black Magic]

premetto che non sono un pilota e non so darti il valore di warning, in piu` non conosco le procedure di volo.

cosi` a bruciapelo da turbomacchinista, osservando un aumento anomalo di vibrazioni, potrei sospettare un`incipienza di stallo al gruppo TC (le varie forme di "proto-stallo" sono ben riconoscibili da analisi vibratorie).
Nel caso dello stallo, l`aumento di ITT avviene a fenomeno gia` avvenuto e propagato.

Non so se gli strumenti di bordo sono tanto "fini"; dato che non ho esperienza su motori installati.

Quello che ho detto non vale se le cause delle vibrazioni sono di tipo meccanico (es danneggiamento di un cuscinetto)

Attendiamo risposta da chi ne sa di piu`.

[super33]

La risposta di Steve Leone è una panoramica precisa e molto esaustiva per spiegare il processo della bilanciatura sui motori a turbina.
Faccio una precisazione legata al metodo utilizzato per il motore JT8D-serie 200.
La bilanciatura statica dei singoli stadi, siano essi di compressore o di turbina, bassa o alta pressione, avviene installando coppie di palette a 180° con peso pressochè uguale e seguendo poi un diagramma di montaggio tale da minimizzare lo squilibrio entro un certo limite max (ca. 144 g*mm per i compressori e valori diversi per le turbine). Nel caso tale valore max è superato, o si riposizionano le palette sul disco, magari sostituendo qualche paletta più leggera o più pesante a seconda dell'esigenza, oppure, dove è consentito, il valore max di squilibrio viene corretto utilizzando piccole masse da rivettare o bullonare in apposite zone di bilanciatura.
Poi, siccome ogni stadio avrà un suo minimo squilibrio residuo, esso verrà installato a 180° rispetto allo squilibrio residuo dello stadio precedente e successivo, in modo da annullarsi a vicenda.
Infine, i vari moduli rotanti prima di essere installati sul motore, subiranno un'equilibratura dinamica su appositi banchi ed eventuali squilibri verranno corretti con apposite masse, proprio come avviene sulle ruote delle automobili. Anche quì, per ridurre al minimo eventuali squilibri residui, i compressori vengono accoppiati sul motore con le rispettive turbine posizionando gli squilibri a 180°.
Durante il collaudo motore le vibrazioni del gruppo di bassa pressione che superano determinati limiti vengono corrette con il cosidetto Trim Balance, apponenendo determinate masse nella parte anteriore (mozzo fan) o posteriore (disco 4° stadio turbina) a seconda dell'indicazione dell'analisi spettrale.
Inutile dire che eventuali vibrazioni fuori limite del gruppo rotante di alta pressione non può essere corretta con Trim Balance. In questo caso bisogna eseguire uno smontaggio del motore mirato all'individuazione della causa.
Ciao.

Aggiungo solo per completezza che:
1) la bilanciatura dinamica è fondamentale e anche la macchina bilanciatrice viene sottoposta a test con dei dischi "master" per verificare che misuri correttamente.
2) Dopo la mrevisione, non è così infrequente il ritorno alla bilanciatura di un motore che in sala prova non rientra nelle tolleranze di progetto, con conseguente smontaggio dischi e ripetizione della bilanciatura.

[Snap-on]

Ringrazio per le precisazioni. Presumendo che le vibrazioni in condizioni di crociera, ad esempio , debbano essere prossime allo zero ( con relativa lancetta sullo zero ) se il loro valore si porta a "due" penso che "qualcosa" dovrebbe innescare nel cockpit. Probabilmente potrei avere qualche riscontro nei valori di ITT N1 o N2 , percepire in cabina rumori e/o vibrazioni .... dipende dalla situazione. C'e' un valore oltre al quale ( come pilota ) devo intervenire ? Che ne so ....shutdown del motore ?
Ciao e grazie ancora
Giovanni

Scusa ma di che aereo e di quali motori stiamo parlando?

Saluti

Steve

[Snap-on]

Che scaltri...
E io ingenuotto (e contorto) che pensavo vi metteste a modificare gli angoli di calettamento per variare il carico palare...
Davvero non ne avevo la minima idea.
grazie

Questa è la differenza sostanziale tra chi costruisce un assieme complesso e chi lo manutenziona!

Purtroppo , come sempre e da sempre, manca sempre il link tra i due personaggi, per cui molte volte quello che viene acquisito dall'esperienza e dalla praticità, molto difficilmente viene introdotto in fase di progettazione.

Non è una critica, ma una delle realtà che mi è capitato e mi capita ancora di trovare nella normale attività di lavoro.

Saluti

Steve

[Icaro00]

Ciao ,

avevo chiesto qualche delucidazione per capire , dal punto di vista del pilota, le azioni da fare in caso di elevato livello di vibrazioni. Come esempio avevo citato i valori riportati sui due Vibration indicator di un B-737 con motori CFM. Pero' piu' che altro come esempio visto che il problema è valido anche per altre macchine. Ho trovato alcune indicazioni che vi allego alla presente e che ho ritrovato su un manuale operativo Boeing se puo' interessarvi.
Grazie ancora

[Black Magic]

Questa è la differenza sostanziale tra chi costruisce un assieme complesso e chi lo manutenziona!

Purtroppo , come sempre e da sempre, manca sempre il link tra i due personaggi, per cui molte volte quello che viene acquisito dall'esperienza e dalla praticità, molto difficilmente viene introdotto in fase di progettazione.

Penso anch`io che sia una mancanza "cronica".
Dovuta in primis all`abitudine di ottimizzare il tempo di design col principio di mantenere tutto cio` che non abbia dimostrato problemi gravi o che non dimostri piu` che evidenti miglioramenti.
Per quel poco che posso vedere dalla mia posizione (avrai capito che non sono un manager ); gli interlocutori principali sono il costruttore dell`aereo e il cliente finale.
In teoria doverebbe essere quest`ultimo, in base alle proprie esigenze, ad avanzare le proposte maturate dall`esperienza operativa. E` certo che le esperienze operative sono valutate e considerate, ma sono altrettanto sicuro che non tutto viene assimilato nei tempi che si vorrebbero.
Ma come hai detto tu ; e` una questione di lunga data difficile da risolvere; perche` le 4 parti in causa hanno spesso diversi punti di vista.
un saluto