Primo avviamento e monitoraggio delle vibrazioni di un banco prova per turbine assiali

An innovative test rig for axial turbines has been installed in the fluid dynamics laboratory of turbomachines at the Politecnico di Milano: this device features a compressor connected to the turbine shaft by a torque sensor. The compressor has the task to absorb the mechanical power, instead of the more traditional electric or hydraulic external brakes. The main goals of the present research are as follows: studying the turbomachine rotor dynamics, completing the assembly of the system and, in particular, developing a monitoring system of the vibrations, in order to carry out the start-up of the complete test rig. Therefore, it has been developed a finite element model to perform rotor dynamic analysis, which puts into evidence that the rotor is rigid in the operating range, that is it does not cross any lateral critical speeds. Moreover, the experience has revealed a specific characteristic of the rotor owing to the presence of four bearings and one section located in the center of the shaft characterized by a restricted stiffness: in fact, the rotor is composed of two shafts, joined in the center by a flexible coupling and a torque sensor. This particular structure makes the rotor rigid in terms of flexibility, putting into evidence a first torsional natural frequency of about 30 Hz. The accelerometers, which are assembled over the bearing supports and the specific data acquisition program, developed by the present research, allow comparing the vibration levels recorded with those of standard ISO-10816 and to check out the potential damages of the roller bearings. Finally, the analysis of the fluid dynamics data recorded during the first start-ups has completed the working test of the new rig and has allowed better analyzing the operation of the system, which may be critical because of the presence of the axial compressor. Actually, this latter, coupled to the turbine, needs a careful monitoring, in order to avoid the stall and ensure the braking of the turbomachine.

All’interno del laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine del Politecnico di Milano è installato un innovativo banco prova per turbine assiali, caratterizzato dalla presenza di un compressore calettato sullo stesso albero della turbina con l’interposizione di un torsiometro; il compressore assorbe la potenza meccanica al posto del più classico freno elettrico o idraulico esterno. Obiettivi di questo lavoro sono stati lo studio della dinamica del rotore del turbogruppo, il completamento del montaggio dell’impianto e in particolare lo sviluppo di un sistema di monitoraggio delle vibrazioni al fine di effettuare i primi avviamenti del banco prova completo. Si è pertanto sviluppato un modello agli elementi finiti della dinamica del rotore, dal quale è emerso che il rotore funziona in campo rigido ovvero senza attraversare velocità critiche flessionali. Si è evidenziato anche un particolare comportamento del rotore dovuto alla presenza di 4 supporti e una sezione al centro dell’albero di limitata rigidezza: il rotore risulta infatti composto da due alberi uniti al centro da un giunto flessibile ed un torsiometro. La particolare struttura rende rigido dal punto di vista flessionale il rotore, ma fa riscontrare una prima frequenza propria torsionale intorno ai 30Hz. Gli accelerometri, montati sui supporti dei cuscinetti, e l’apposito programma di acquisizione dati, sviluppato in questo lavoro, hanno permesso di confrontare i livelli di vibrazione registrati con quelli della norma ISO-10816 e di verificare eventuali danneggiamenti dei cuscinetti a rotolamento. Infine un’analisi dei dati fluidodinamici registrati durante i primi avviamenti ha completato la verifica di funzionamento del nuovo banco prova e permesso di descrivere meglio la fase di avviamento dell’impianto, che risulta critica per la presenza del compressore assiale. Quest’ultimo, solidale alla turbina, necessita infatti di un accurato controllo per evitare lo stallo e garantire la frenatura del turbogruppo.