Comment obtenir l'aplomb de l'arbre vertical à l'aide de l'alignement laser

Traditionnellement, les mesures d'aplomb sur un arbre vertical de turbine hydraulique/générateur impliquaient d'enfiler une série de fils le long de l'arbre, de fixer un poids à l'extrémité des fils, puis de mesurer l'espace entre le fil et l'arbre à l'aide d'un micromètre électronique. . Bien que cette méthode soit peu coûteuse et utilisée depuis de nombreuses années, elle nécessitait l'accès à une grande longueur de l'arbre pour obtenir une résolution précise. En outre, les mesures impliquent de mesurer physiquement la distance entre le fil et l'arbre à différentes altitudes sur l'arbre, ce qui augmente le temps et les besoins en personnel pour la mesure.

Ludeca Inc. présente son expérience avec un système à base de laser qui remplace la méthode chronophage du fil. Les mesures peuvent désormais être effectuées en une fraction du temps qu'il faudrait autrement avec la méthode de mesure par fil. Le système de mesure de Ludeca, connu sous le nom de PERMAPLUMB, utilise un miroir mécanique auto-ajustable, toujours d'aplomb à la terre, qui réfléchit un faisceau laser de classe 1 dans un détecteur. Il ne nécessite que 14 pouces d'espace axial le long de l'arbre. Le miroir et le transducteur sont fixés par un support qui utilise des aimants sur l'arbre de la turbine. À partir d'une seule rotation de l'arbre de 270 degrés, le système calcule et affiche l'angularité et les mouvements correctifs et fournit une mesure statistique de la qualité des données. Une fonction « move » permet de suivre les corrections au fur et à mesure de leur réalisation. La résolution est meilleure que 0,00002 pouce par pied, ce qui est plus précis que ne l'exige la NEMA. Les turbines adjacentes peuvent également continuer à fonctionner car le système est insensible aux vibrations.

Présentation
L'aplomb est la relation entre une ligne centrale en rotation et la gravité. Il peut être considéré comme la verticalité d'une ligne médiane. En pratique, avec la mesure d'un puits hydraulique vertical, c'est en fait le « déplombage » qui est mesuré, puisque le facteur quantifié est la différence par rapport à la verticalité parfaite, comme le montre la figure

Figure 1. Axe de rotation de l'arbre par rapport au fil à plomb

L'aplomb est exprimé comme un angle. Comme l'angle est petit, une pente angulaire, ou taux de variation, est une forme d'expression plus appropriée que les degrés ou les radians. L'unité d'expression la plus courante pour ce paramètre par rapport aux puits hydrauliques verticaux est le millième de pouce par pied ou les millièmes de pouce par pouce. L'aplomb est mesuré dans deux plans. Si vous regardiez l'arbre, les deux plans de mesure seraient le plan de zéro à 180 degrés et le plan de 90 à 270 degrés.

L'obtention d'un aplomb dans les applications d'arbres hydrauliques verticaux est essentielle pour un fonctionnement correct. L'aplomb de précision aide à réduire les températures des roulements, réduit le mouvement de l'arbre, réduit les vibrations et améliore l'efficacité. Du point de vue de la planification, réaliser cela avec précision en un minimum de temps est essentiel pour économiser de l'argent.

Mesure de l'aplomb
Pour mesurer l'aplomb, diverses méthodes existent, notamment l'utilisation de fils tendus, de lasers et d'optiques. Le fil tendu est la méthode la plus couramment utilisée et c'est aussi la méthode la moins chère.

Quatre fils tendus sont enfilés verticalement le long du puits hydraulique vertical. En règle générale, une variété d'acier inoxydable non magnétique est utilisée avec un diamètre de 0,020 à 0,030 pouce. Pour assurer une plage minimale requise sur le micromètre, les fils sont placés à peu près à égale distance de l'arbre. Chaque fil est espacé à des intervalles de 90 degrés les uns des autres autour de l'arbre hydraulique. Un poids à ailettes de 20 à 30 livres est suspendu à l'extrémité de chaque fil où il est immergé dans un bain d'huile pour aider à amortir le mouvement et les vibrations dans le fil.

Un micromètre électrique mesure la distance entre l'arbre hydraulique et le fil. Le fil et l'arbre hydraulique sont connectés électriquement l'un à l'autre de manière à compléter un circuit électrique lorsque le micromètre entre en contact. Ceci, à son tour, active une tonalité auditive électronique qui permet à l'utilisateur de savoir quand arrêter d'avancer le micromètre. Les lectures sont prises à des points le long de l'arbre pour établir la position relative entre le fil tendu et l'arbre hydraulique, comme illustré à la figure 2.

Figure 2. Concept de mesure de l'aplomb à fil serré

La méthode du fil tendu excelle par son faible coût et sa configuration plutôt intuitive. Cependant, il s'agit d'une mesure où « l'attention portée aux détails » est primordiale pour réduire l'erreur impliquée dans le processus de mesure.

Il est important de s'assurer que les vibrations sont pratiquement inexistantes pendant le processus de mesure. Les perturbations du fil tendu pendant la mesure fausseront la précision des lectures. Dans certains cas, les unités hydroélectriques voisines sont maintenues en service pendant le processus de mesure. Si les unités étaient forcées d'être arrêtées pour le processus de mesure, il en résulterait une perte de revenus provenant de l'exploitation de ces turbines. De plus, les chances augmentent que le fil soit physiquement dérangé lorsque d'autres projets sont effectués à proximité de la mesure, en particulier lors d'une réparation ou d'une révision.

Le technicien doit veiller à ce que la mesure soit effectuée de manière cohérente et précise. On suppose que la surface mesurée est de haute qualité et qu'elle est représentative de la concentricité de l'arbre ou de l'accouplement. La déformation de l'arbre, les piqûres, la rouille ou la crasse peuvent affecter la précision de la lecture. Les variations de la lecture du micromètre peuvent varier d'une personne à l'autre en fonction du moment où elles arrêtent d'avancer le micromètre pour toucher le fil tendu.

La précision des lectures de fil tendu augmente lorsqu'une plus grande longueur axiale est mesurée. Cela signifie qu'il est souhaitable d'enfiler le fil tendu à la distance la plus longue possible. Cela signifie également qu'une plus grande partie de l'arbre est dédiée à la procédure de mesure. Par conséquent, l'opérateur du micromètre doit parcourir des distances plus longues jusqu'aux points de mesure le long de la longueur de l'arbre, ou des opérateurs supplémentaires doivent être employés. Une fois les lectures effectuées, les données doivent être enregistrées avec précision par l'opérateur ou la personne en charge de l'évaluation des données.

Il est évident qu'il existe de nombreux facteurs impliqués dans les mesures à fil tendu qui peuvent induire une erreur strictement liée au processus de mesure ainsi qu'à prolonger le temps et l'espace nécessaires pour prendre les mesures. Pour augmenter la productivité, il est nécessaire de réduire l'élément humain du processus de mesure, de réduire la surface nécessaire à mesurer sur l'arbre et de réduire le temps nécessaire pour obtenir des mesures et effectuer des corrections.

Méthode de mesure de l'aplomb au laser
Le système PERMAPLUMB est un outil de mesure d'aplomb au laser. Elle contourne un grand nombre des limitations de la méthode du fil tendu en supprimant l'élément humain du processus de mesure grâce à l'utilisation d'un laser et d'un ordinateur pour l'acquisition des données. Cela permet de garantir que la précision des mesures ne dépend pas de l'utilisateur. De plus, le système PERMAPLUMB offre une résolution de mesure d'un ordre de grandeur supérieur à celle obtenue avec la méthode fil tendu/micromètre. Le système s'installe également facilement et donne des lectures d'alignement rapidement à la demande, réduisant ainsi le temps consacré au processus de mesure.

Le système se compose d'un laser et d'un miroir montés sur un support magnétique compact de seulement 14 pouces de long, comme le montre la figure 3.

Figure 3. Le PERMAPLUMB et le support 14 pouces

Le transducteur laser est monté sur le support comme illustré à la figure 4.

Figure 4. Transducteur laser monté sur le support Permaplumb

Un faisceau est réfléchi par un miroir autonivelant au bas du support dans un détecteur de résolution de 1 micron situé à l'intérieur du transducteur laser. Les points de pivotement à deux axes du miroir garantissent que la surface du miroir maintiendra toujours un aplomb relatif par rapport à l'horizon, comme le montre la figure 5.

Figure 5. Ensemble de miroir à réglage automatique

L'aplomb est mesuré en fixant simplement le système à l'arbre vertical au moyen de ses pieds magnétiques intégrés et en faisant pivoter l'arbre à quatre positions à 90 degrés l'un de l'autre, comme illustré à la Figure 6. Une mesure est prise à chacun des les positions à 90 degrés. Une fois la dernière mesure prise, les résultats d'aplomb peuvent être affichés via l'ordinateur. La correction de l'aplomb se fait généralement de l'une des deux manières suivantes :déplacer axialement (caler) le palier de butée ou déplacer (déplacer horizontalement) le palier de butée. PERMAPLUMB vous fournira des valeurs de correction et une fonction de « déplacement » en direct avec laquelle surveiller les corrections en temps réel pour l'une (ou les deux) de ces deux approches.

Figure 6. Fixation du PERMAPLUMB à l'arbre hydraulique

Utilisation de PERMAPLUMB pour l'alignement vertical des arbres hydrauliques
Le système PERMAPLUMB s'intègre facilement dans les procédures qui nécessitent des mesures d'aplomb des puits verticaux. Étant donné que l'arbre sera tourné, il est nécessaire de prendre en compte des facteurs qui garantiront l'absence d'obstructions ou d'interférences pendant la rotation. Cela inclut le retrait de tous les patins de roulement réglables afin que l'arbre puisse être tourné sans aucun frottement.

Les contrôles standard et les procédures de sécurité doivent toujours être effectués avant le processus de mesure. Ces vérifications consistent notamment à s'assurer qu'il n'y a pas de « patte de chien » ou de faux-rond dans l'arbre. Des comparateurs à cadran ou des sondes de proximité peuvent être montés à diverses positions le long de l'arbre pour déterminer rapidement si de tels problèmes existent et s'ils doivent être résolus avant et/ou après les mesures et corrections d'aplomb. Les sondes de proximité atteignent des précisions élevées et sont moins sensibles aux imprécisions de finition de surface de l'arbre que les comparateurs à cadran. Les données peuvent être acquises en un seul tour de l'arbre, accélérant ainsi le processus de correction et de détection des problèmes de « leg de chien » et de faux-rond.

La charge égale de tous les patins de la butée doit être assurée. Diverses procédures existent selon le type de palier de butée utilisé. Les méthodes vont de la méthode de « slugged arc » à la méthode plus avancée et plus rapide d'intégration des cellules de charge dans les chaussures réglables. Dans la plupart des cas, la plomberie de l'arbre et l'égalisation des charges iront de pair entre les corrections.

Les mesures commencent par le montage du système PERMAPLUMB sur n'importe quelle zone le long de l'arbre hydraulique. La zone la plus facile d'accès serait généralement le pont au-dessus de la turbine, comme le montre la figure 7.

Figure 7. Le système PERMAPLUMB installé sur le puits hydraulique

Le système est ensuite connecté à un ordinateur portable et à une alimentation électrique.

Les dimensions et les paramètres sont saisis dans le progiciel WinPLUMB. Ces dimensions incluent les données du palier de butée pour effectuer des corrections sur le palier de butée, les données de translation pour surveiller la position de l'arbre au niveau des paliers de guidage supérieur et inférieur, et les tolérances pour aider à déterminer quand l'arbre est raccordé à la tolérance, comme illustré à la Figure 8.

Figure 8. Saisie des dimensions, tolérances et cibles dans le logiciel WinPLUMB

Une fois les dimensions saisies, il est temps de prendre les mesures. Cela commence en mettant en marche le système de lubrification à haute pression et en faisant tourner le système PERMAPLUMB monté sur l'arbre jusqu'à la position désignée "0" degré. Le système de lubrification haute pression est alors désactivé pour laisser l'arbre se stabiliser. C'est là que le premier point de mesure sera pris. Le système de lubrification à haute pression est alors réactivé et le processus est répété pour les trois points suivants sur 270 degrés de rotation de l'arbre.

Les résultats obtenus (voir Figure 9) afficheront les résultats d'aplomb en mils par pouce. La tolérance NEMA de 0,25 mils par pied est entrée (sous forme de 0,0208 mils par pouce) dans la fonction de tolérance afin que le système puisse indiquer si la tolérance a été atteinte. La résolution de mesure est meilleure que 0,00002 pouce par pied, ce qui est bien mieux que la tolérance requise par NEMA.

Figure 9. L'écran des résultats

Si des corrections sont nécessaires sur les patins de palier de butée, PERMAPLUMB fournit la quantité que chaque patin doit être déplacé vers le haut (ou vers le bas) pour atteindre la tolérance, comme illustré à la Figure 10. Une fonction spéciale du logiciel permet également « Pad Up &Down », ce qui donne des corrections optimisées pour l'ajout et la soustraction à la hauteur du coussin afin d'obtenir l'aplomb sans modifier l'élévation de l'arbre.

Figure 10. Corrections de palier de butée pour chaque chaussure

Des corrections sur les plaquettes sont effectuées et l'arbre est remesuré pour vérifier l'aplomb. L'ensemble du processus peut être mesuré « en direct », si nécessaire. Un mode spécial de « mouvement en direct » est activé pour mettre à jour en continu l'état d'aplomb de l'arbre hydraulique au fur et à mesure que des corrections sont apportées, comme le montre la figure 11. Cela met non seulement à jour la valeur d'aplomb réelle, mais met à jour en continu les corrections prévues des coussinets de butée ainsi que le changement de position de l'arbre au niveau des paliers de guidage supérieur et inférieur. L'aplomb peut être surveillé en permanence pour les situations dans lesquelles le palier de butée lui-même peut avoir besoin d'être déplacé.

Le mode « mouvement en direct » est particulièrement utile pour s'assurer que les corrections sont effectuées sans interférence pendant le déplacement. Si l'arbre entre en contact avec les roulements de guidage ou devient obstrué pendant le repositionnement, cela deviendra évident dans ce mode.

Figure 11. Mode « Déplacement en direct »

L'assurance de la précision des mesures pendant le processus de mesure est vitale. Les données collectées doivent être utilisées pour effectuer des corrections et vérifier les résultats. Pendant le processus de collecte de données, un échantillon de 32 lectures par seconde peut être collecté par point de mesure. L'utilisateur peut sélectionner le nombre de secondes de données à collecter par point de mesure, jusqu'à 204 secondes. Ceci est extrêmement utile lorsque les vibrations peuvent devenir un problème pendant la mesure, ce qui est généralement le cas lorsque des turbines adjacentes fonctionnent pendant le processus de mesure.

L'affichage « déviation standard » garantit que la durée de mesure sélectionnée crée des données stables pour surmonter les problèmes de vibration. Ceci est utile pour trouver le temps optimal requis pour la collecte de données afin de créer une mesure stable tout en réduisant le temps de mesure au minimum possible.

La précision de la mesure est également assurée par la rotation en quatre points. Une caractéristique spéciale connue sous le nom de « complétion circulaire » garantit que l'arbre hydraulique tourne autour d'un axe sans aucune interférence. Il garantit que les lectures aux quatre points suivent l'équation selon laquelle la somme des lectures à zéro degré et à 180 degrés doit être égale à la somme des lectures à 90 et 270 degrés. Si cette équation est violée pendant la mesure, une erreur de complétion circulaire apparaîtra indiquant le degré auquel cette violation se produit. Une valeur de 0,2 dans les données brutes du détecteur ou moins serait considérée comme une bonne lecture. Cette fonction indique si des problèmes d'interférence d'arbre se sont produits pendant la mesure

La répétabilité de la mesure est essentielle en tant que processus de mesure standard. PERMAPLUMB dispose d'une fonction de répétabilité pour permettre de comparer les mesures précédentes aux mesures actuelles. Des mesures reproductibles garantissent que « ce que vous voyez est ce qu'il est vraiment ».

Les contrôles de répétabilité avec le PERMAPLUMB peuvent également être utilisés pour vérifier la rigidité de l'arbre. Un arbre parfaitement rigide créera des lectures d'aplomb identiques avec le PERMAPLUMB, peu importe où le système est monté sur l'arbre hydraulique. La rigidité peut être contrôlée entre deux arbres reliés par un accouplement solide.

Ensuite, nous décrivons comment cela est fait :L'aplomb est mesuré au-dessous du couplage au moins deux fois pour établir la répétabilité. L'aplomb est ensuite mesuré au-dessus de l'accouplement, encore deux fois pour assurer la répétabilité. Les résultats entre les mesures prises au-dessus et au-dessous de l'accouplement sont ensuite comparés pour établir la rigidité. Toute différence dans les résultats supérieure à 0,004 mils par pouce serait considérée comme un manque de rigidité.

Conclusion
La capacité d'effectuer une mesure d'aplomb en un minimum de temps avec un degré élevé de précision profite à la fois à court terme, avec des gains de temps améliorés, et à long terme, avec une durée de vie et une efficacité améliorées. Configuration rapide, fiabilité, immunité aux vibrations, précision et gain de temps sont autant de facteurs qui rendent le système PERMAPLUMB idéal pour les mesures d'aplomb.

À propos de l'auteur
Daus Studenberg est ingénieur d'applications pour Ludeca Inc. à Miami, en Floride. Il est titulaire d'un baccalauréat en génie mécanique de l'Université de Floride. Ses responsabilités chez Ludeca incluent le service sur le terrain, le support technique, la formation et le développement de produits. Les questions concernant cet article peuvent être envoyées à [email protected].

Vous trouverez plus d'informations sur le système PERMAPLUMB sur :

http://www.ludeca.com/prod_permaplumb.php

http://www.ludeca.com/prod_winplumb.php