Vysvětlení kritické rychlosti v dynamice rotoru

Definice: Co je to kritická rychlost?

A kritická rychlost je rychlost otáčení, která odpovídá vlastní frekvenci vibrací rotoru. Když stroj pracuje na jedné ze svých kritických rychlostí nebo v její blízkosti, dochází k jevu rezonance dochází. To způsobuje dramatické a často nebezpečné zesílení vibrací rotoru, protože i nepatrná zbytková nevyváženost může generovat obrovské odstředivé síly. Každý rotorový systém má více kritických rychlostí, které odpovídají jeho různým vibračním režimům (např. první ohybový režim, druhý ohybový režim atd.).

Proč je kritická rychlost tak důležitá?

Pochopení a řízení kritických otáček je jedním z nejzákladnějších aspektů návrhu a analýzy rotačních strojů. Provoz stroje s kritickou rychlostí, a to i po krátkou dobu, může být katastrofální. Mezi důsledky patří:

• Nadměrné vibrace: Amplitudy se mohou zvýšit faktorem 10, 20 nebo i více, v závislosti na tlumení systému.
• Selhání komponenty: Vysoké vibrace a průhyb hřídele mohou vést k selhání ložiska, poškození těsnění a tření mezi rotujícími a pevnými částmi.
• Katastrofické selhání hřídele: V závažných případech může ohybové napětí překročit mez únavy materiálu, což způsobí prasknutí nebo zlomení hřídele.
• Bezpečnostní rizika: Porucha stroje při vysoké rychlosti představuje značné riziko pro personál a okolní zařízení.

Z těchto důvodů jsou stroje vždy navrženy tak, aby fungovaly s „oddělovací rezervou“, což znamená, že jejich normální provozní rychlost je záměrně udržována v bezpečné vzdálenosti od jakýchkoli kritických rychlostí.

Pevné vs. flexibilní rotory

Koncept kritické rychlosti je to, co odlišuje „tuhý“ rotor od „pružného“:

• Pevný rotor: Rotor, který pracuje *pod* svou první kritickou rychlostí. Jeho hřídel se během provozu významně neohýbá. Obvykle se jedná o pomalejší, robustnější rotory.
• Flexibilní rotor: Rotor, který je navržen pro provoz *nad* svou první (a někdy i druhou nebo třetí) kritickou rychlostí. Jeho hřídel se bude při průchodu kritickými rychlostmi během spouštění a vypínání ohýbat a zahýbat. Vysokorychlostní, štíhlé rotory, jako jsou ty v turbínách a kompresorech, jsou flexibilní rotory.

Řízení kritických rychlostí v provozu stroje

Protože často není praktické navrhnout vysokorychlostní stroj, který by zůstal pod svou první kritickou rychlostí, používají inženýři k jejich řízení několik strategií:

1. Oddělovací okraj

Nejběžnější strategií je zajistit, aby nepřetržitá provozní rychlost stroje nebyla příliš blízko žádné kritické rychlosti. Typická separační rezerva je ±20-30%. Například, pokud jsou kritické otáčky 3 000 ot./min, stroj by neměl být provozován nepřetržitě mezi 2 400 a 3 600 ot./min.

2. Rychlé zrychlení/zpomalení

U flexibilních rotorů, které musí projít kritickými otáčkami, jsou postupy spouštění a vypínání navrženy tak, aby se rozsah kritických otáček prohnal co nejrychleji. Setrvání na kritických otáčkách umožňuje, aby amplitudy vibrací dosáhly nebezpečných úrovní. Rychlý průchod minimalizuje dobu potřebnou k tomuto zesílení.

3. Tlumení

Tlumení je rozptyl vibrační energie a omezuje amplitudu píku při rezonanci. Ložiska, zejména ložiska s fluidním filmem, jsou primárním zdrojem tlumení v rotorových systémech. Optimalizací konstrukce ložisek mohou inženýři řídit vibrační vrchol při kritické rychlosti na bezpečnou a zvládnutelnou úroveň.

4. Přesné vyvažování

Vibrace při kritických otáčkách jsou zesílenou reakcí na nevyváženost. Čím lépe je rotor vyvážen, tím menší bude vynucovací funkce, a proto tím nižší bude špičková vibrace při průchodu kritickými otáčkami. U flexibilních rotorů jsou vyžadovány speciální techniky vyvažování ve více rovinách.

Jak se identifikují kritické rychlosti?

Kritické rychlosti se určují pomocí několika metod:

• Dynamická analýza rotoru (RDA): Počítačové modely (často využívající metodu konečných prvků) se vytvářejí během fáze návrhu, aby se předpověděly kritické rychlosti a tvary režimů rotoru.
• Zkoušky rozjezdu/dojezdu: Nejběžnější experimentální metoda. Amplituda a fáze vibrací se vynášejí v závislosti na rychlosti při spouštění nebo vypínání stroje. Kritická rychlost je identifikována zřetelným vrcholem amplitudy doprovázeným charakteristickým fázovým posunem o 180 stupňů. Tyto testy generují diagnostické grafy, jako je Bodeho graf a Vodopádový pozemek.
• Zkouška nárazem (bump test): Údery kladivem s instrumentací do rotoru, když je v klidu, mohou vybudit jeho vlastní frekvence, které odpovídají kritickým otáčkám.

← Zpět na hlavní index