Razumijevanje uljnog vrtloga
Uljni vrtlog je vrsta samopobude, nestabilne vibracije koja se javlja u mašinama opremljenim fluidnim filmskim (klizni) ležajima — veliki turbine, kompresori i pumpe su među njima. To je vid fluidom inducirane nestabilnost u kojem uljni film koji podržava vratilo počinje gurati vratilo oko zazora ležaja u kružnom kretanju naprijed. Pošto se ovaj vrtlog javlja na frekvenciji ispod brzine rada mašine (1×), to je subsinhroni vibracija — i, budući da je sama-pobude, ne zahtijeva vanjsku silu da je održi.
1. Definicija: Šta je uljni vrtlog?
Za razliku od neuravnoteženost, što je sinhron (1×) prisilna vibracija, uljni vrtlog je samouzbudivana vibracija: energija koja je pokreće dolazi iz stalnog rotiranja samog vratila, dovedena kroz film ulja u ležajima. Ta razlika je važna dijagnostički, jer samouzbudivane nestabilnosti mogu se pojaviti iznenada, brzo rastati i ne mogu se “uravnotežiti” na način na koji se neuravnoteženost u omjeru 1× može.
2. Karakteristike uljnog vrtloga
Uljni vrtlog ima nekoliko različitih, prepoznatljivih potpisa u podacima vibracija:
- Frekvencija: najznačajnija karakteristika je vršac sa velikom amplitudom na frekvenciji nešto manjoj od polovine brzine vrtnje — tipično između 0,4× i 0,48× (40% do 48% brzine vratila). U mašini koja radi na 3000 RPM (50 Hz), uljni vrtlog bi se pojavio na otprilike 1200–1440 RPM (20–24 Hz).
- Smjer: vibracija je prvenstveno radijalnog smjera (vodoravno i okomito) i često je jako usmjerena.
- Orbitalni dijagram: prikazano na orbitalnoj crtaciji iz X–Y senzora blizine, uljni vrtlog se pojavljuje kao velika, naprijed-precessirajuća, često deformirana (ne-kružna) orbita sa jednom jasno definisanom unutarnjom petljom.
- Ponašanje: vrtloženje ulja (oil whirl) nije vezano za fiksnu frekvenciju. Kako se mašina ubrzava, frekvencija vrtloženja prati je, uvijek zadržavajući karakterističan odnos ~0,4×–0,48× u odnosu na novu radnu brzinu. Ovo ponašanje praćenja brzine je ključna razlika u odnosu na strukturna rezonancija, koja se nalazi na fiksnoj frekvenciji bez obzira na brzinu vratila.
Jasno hvatanje ovih karakteristika zahtijeva mjerenje sa faznom referencijom i više kanala. A kaskadna (vodoskočna) crtacija snimljeno tokom zalet ili zaustavljanje je posebno informatorna, jer se sub-sinhroni vršac vidi kako korača zajedno sa brzinom vrtnje umjesto da ostane na mjestu.
3. Mehanizam: Kako se uljni vrtlog javlja?
Uljni vrtlog nastaje iz dinamike hidrodinamičke uljne kline koja podržava vratilo u radijalne ležajima. Tijekom normalnog rada, rotirajuće vratilo povlači ulje u jastučni rasjedak, gradeći polje tlaka koje podiže i podržava vratilo. Vratilo nije smješteno u centru ležaja već se kreće malo pomaknutim, pod kutom stava prema liniji opterećenja.
Ulje unutar te kline se samo cirkulira oko ležaja sa otprilike polovinom površinske brzine vratila — što je upravo razlog zašto nastala nestabilnost se pojavljuje odmah ispod 0,5×. Ako je ležaj slabo opterećen ili ima previše zazor, stabilizacijske sile slabe. Mali poremećaj može tada dozvoliti da vratilo bude “uhvaćeno” od strane cirkulirajućeg filma, koji počinje da ga pokreće u kružnoj putanji oko ležaja. Rezultat je samoodržavajuća vibracija koja može rastati na vrlo veliku amplitudu, često ograničena samo lightweight-om ležaja — u kojem trenutku vratilo počinje da dodiruje površinu ležaja.
4. Uljno vrtenje: Ozbiljniji oblik
Ako se mašina ubrza do tačke u kojoj se frekvencija vrtloženja ulja (~0,4×–0,48×) poklopi sa jednom od rotorovih prirodne frekvencije — a kritična brzina — stanje se dramatično pogoršava. To se naziva uljni vrtlog, nasilni krajnji slučaj šire vrtloženje-i-udar (whirl-and-whip) porodice nestabilnosti.
- Zaključana frekvencija: vibracija se “zaključava” na prirodnu frekvenciju rotora i prestaje da raste kako se mašina dalje ubrzava.
- Velika amplituda: rezonantno stanje dovodi amplitudu do ekstremo visoke vrednosti.
- Opasnost: uljno vrtenje je veoma opasno, nestabilno stanje koje može dovesti do katastrofalnog otkaza, uključujući oštećenje ležaja i ozbiljnih trljanje rotora.
5. Česte uzroke i rešenja
- Uzroci: slabo opterećeni ležajevi, preveliki zazor ležaja, kinematska viskoznost ulja koja je premala, previše veliki pritisak opskrbe uljem, ili dizajn mašine koji postavlja kritičnu brzinu otprilike dva puta veću od radne brzine (tako da rotor dostiže kritičnu brzinu tačno tamo gde stigne frekvencija vrtenja).
- Rješenja: rešenja imaju za cilj da naruše nestabilni film ulja. Opcije uključuju povećanje opterećenja ležaja, korekciju viskoznosti ulja, i redizajniranje ležaja sa geometrijom otpornom na vrtenje — eliptični (lemon-bore), sa pritisnom branom, ili multi-režanj i ploče sa mogućnošću nailaženja dizajni koji prekidaju simetričnu cirkulaciju filma. Postavljanje prigušivača sa efekatom stiskanja može dodati stabilizujućeg prigušenja kod nekih mašina.
Potvrđivanje dijagnoze na terenu znači merenje pod-sinhronog vrha i njegove faze, i isključivanje sinhronih uzroka — neuravnoteženosti i neporavnanje — prvo. Prenosivi dvokanalski analizator kao što je Balanset-1A hvata amplitudu i faza preko spektar vibracija i provjerava da li je komponenta 1× prihvatljiva; ako je preostala 1× komponenta čista, a snažan vrh od ~0,45× i dalje postoji i prati brzinu, problem je nestabilnost uljnog filma poput vrtloženja ulja, a ne greška balansa — i rješenje se nalazi u ležaju, a ne u korekcionim utezima. Karakteristične frekvencije nestabilnosti mogu se unakrsno provjeriti pomoću Kalkulator za frekvencije kliznog ležaja (Oil Whirl & Oil Whip).
