Разбиране на вихрушката на ротора и нестабилността на камшика
Вихър и камшик — най-често срещано като маслен вихър и oil whip — са две сродни и изключително опасни форми на самовъзбуждащи се вибрации, субсинхронен вибрация които възникват във високоскоростни въртящи се машини, работещи в условията на течна смазка (списание) лагери. Те не са принудителни вибрации причинени от проблеми като дисбаланс или несъосност; а всъщност те са нестабилност на ротора при което движението на самия ротор генерира силите, които поддържат и усилват вибрациите. И в двата случая валът “извършва орбитално движение” — прецесира напред по голяма орбита в рамките на лагерния зазор, описвайки траектория, различна от собственото му въртене.
1. Определение: Какво представляват „Whirl“ и „Whip“?
Струва си да разграничим две понятия, които всекидневният термин “whirl” смесва. Spin роторът се върти около собствената си геометрична ос. Вихър (или прецесия) е движението на тази ос като цяло по по-голяма окръжност вътре в лагера — представете си въртяща се монета, чийто център също описва кръг по масата. Всички ротори извършват известно орбитално движение; проблемът започва, когато то престане да бъде безобидна реакция на остатъчен дисбаланс и става самовъзбуждащ се, като черпи енергията си от устойчивото въртене, а не от външно въздействие. „Oil whirl“ е самовъзбуждаща се прецесия, задвижвана от масления филм в лагера; „oil whip“ е силният резонанс, в който тя може да прерасне. Тъй като източникът на енергия е самото въртене, тези нестабилности не могат да се отстранят чрез балансиране — това е съществената разлика спрямо синхронните проблеми.
2. Механизмът: как се случва това?
При лагер с маслен филм въртящият се вал се поддържа не чрез контакт метал в метал, а чрез маслен клин под високо налягане. Валът не се намира в центъра на лагера; той стои изместен към едната страна под действието на натоварването, което носи. Докато шийката на вала увлича маслото по пръстеновидната междина, смазката циркулира със средна скорост, малко по-малка от половината от повърхностната скорост на вала — течността, която е в контакт с вала, се движи със скоростта на вала, течността до неподвижната стена на лагера е почти неподвижна, а средната скорост на потока остава малко под 0.5×.
Oil whirl възниква, когато този циркулиращ филм започне да “избутва” леко натоварения вал пред себе си, увличайки го в голяма орбита с напредваща прецесия около лагера. Честотата на whirl се определя от средната скорост на масления филм, която обикновено е между 42% и 48% от работната скорост (0.42× to 0.48×). Тази характерна субсинхронна характеристика — близка до половината, но никога точно половината от работна скорост — това е характерният признак, който анализаторите търсят. (Стойността “малко по-малко от половината” е и причината, поради която oil whirl понякога неточно се нарича “half-speed whirl”, въпреки че истинската стойност никога не достига 0.5×.)
3. Oil Whirl: Предвестникът
Масленият вихър обикновено е началната фаза на нестабилността — предупреждение, а не катастрофа. Характеристиките му са:
- Честота: се проявява като ясно изразен връх в FFT спектър между 0.42× и 0.48× от RPM.
- Поведение: честотата на въртене увеличава когато машината ускорява, тя винаги поддържа съотношение от около 45 % от работната скорост. При ускоряване тя се издига като субсинхронна сянка под линията 1×.
- Тежест: това може да предизвика силни, но понякога и стабилни вибрации, които могат да се появяват или изчезват при промяна на натоварването, скоростта или температурата на маслото. Нежелателно, разбира се — но не винаги води до незабавни повреди.
- Чувствителност: Обикновено виновни за това са леко натоварените, прекомерно големи или износени лагери, тъй като ниското специфично натоварване позволява на масления клин да определя положението на вала.
4. Oil Whip: Критичната опасност
Oil whip е много по-тежко състояние, което възниква директно от oil whirl. То се проявява, когато машината ускори дотам, че честотата на oil whirl (при около 45% от работната скорост) нарасне до първата първи собствена честота - първия си критична скорост. В този момент whirl “се заключва” към собствената честота и възбужда пълномащабен резонанс. Характеристиките му са:
- Честота: вибрацията се фиксира на първата собствена честота на ротора и не се покачва повече, дори когато машината продължава да ускорява — така че пикът при ниска честота „застива“, докато пикът при 1× продължава да нараства.
- Амплитуда: вибрацията става много силна, превръща се в бурна и нестабилна.
- Поведение: oil whip е изключително разрушителен и няма да не отмине при по-нататъшно ускоряване. Той може да разруши лагерите, уплътненията и самия ротор за много кратко време, понякога поради силно триене на ротора докато орбитата запълва пространството.
Скоростта, при която възниква whip, обикновено е малко над двойно по-висока от първата критична скорост на ротора — точката, в която линията на whirl при ~0.5× пресича първата собствена честота. Машина, попаднала в режим на oil whip, се нуждае от незабавно изключване; точно това е сценарият, който защита на машините системите са проектирани да задействат изключване при точно такъв сценарий.
5. Как да разпознаем Whirl и Whip
- Спектрален анализ: търсете силен субсинхронен пик. По време на ускоряване, ако честотата на този пик нараства със скоростта, това е whirl; ако тя “се изравни” на фиксирана стойност, докато 1× пикът продължава да се покачва, състоянието е преминало в whip.
- Орбитален парцел: орбитата на оста представлява голяма окръжност или елипса с прецесия напред, като често компонентът 1× се наслагва върху нея, за да се получи характерната фигура „лупинг“.
- Водопадна диаграма: водопад (или каскада) графика от пуск показва възможно най-ясната картина, като демонстрира как честотата на whirl нараства със скоростта, докато не пресече първата собствена честота и не се заключи в whip. Картирането на тези пресичания е точно това, което Диаграма на Кембъл е за.
Тъй като whirl и whip се проявяват под 1×, анализаторът трябва да достига доста под работната скорост и да определя фазата точно. Преносим двуканален уред като Balanset-1A улавя синхронизираното амплитуда и фаза на компонента на работната скорост по време на ускоряване или свободно спиране, което позволява на инженера да потвърди на място, че упоритият нискочестотен пик е действителна лагерна нестабилност, а не обикновен дисбаланс — и също толкова важно, да изключи проблем с балансирането, преди да търси решение, което изобщо няма да помогне.
6. Причини и решения
Тези нестабилности се определят от конструкцията на лагерите, геометрията на ротора, вискозитета на маслото, температурата и натоварването — сложен набор от взаимодействия, формално описан в динамика на ротора. Те не се дължат на дисбаланс и не могат да бъдат отстранени чрез балансиране; решенията се състоят в промени на ниво дизайн:
- Преминете към по-стабилна геометрия на лагера, като например лагер с накланящи се подложки.
- Променете вискозитета на маслото или работната температура, за да промените поведението на масления филм.
- Увеличете специфичното натоварване на лагера, така че валът да се фиксира здраво и масленият клин да не може повече да оказва влияние.
- Добавете канали, аксиални прегради или профили с „лимонови“ отвори, които прекъсват периферния маслен поток, захранващ вихровото движение.
Сродна нестабилност, парен вихър, се дължи по-скоро на аеродинамични сили, отколкото на силите на масления филм в турбините, но води до подобна картина на самовъзбуждащ се субсинхронен режим — което ни напомня, че „въртенето“ представлява група явления, обединени от една обща черта: роторът подава енергия към собствената си орбита.
