Forståelse af rotorhvirvel- og piskeinstabiliteter

Definition: Hvad er Whirl og Whil?

Oliehvirvel og Oliepisk er to relaterede og yderst farlige former for selvophidselse, subsynkron vibrationer, der opstår i højhastighedsroterende maskiner udstyret med væskefilmslejer (taplejer). De er ikke tvungne vibrationer forårsaget af problemer som ubalance, men er rotorinstabiliteter hvor rotorens bevægelse i sig selv genererer de kræfter, der opretholder og forøger vibrationen. Begge er karakteriseret ved, at rotorakslen "hvirvler" – bevæger sig fremad i en stor bane – inden for dens lejespillerum.

Mekanismen: Hvordan sker det?

I et fluidfilmleje understøttes den roterende aksel af en højtrykskile af olie. Akslen er ikke i midten af lejet, men glider op ad den ene side. Når olien trækkes rundt af akslen, cirkulerer selve olien med en gennemsnitshastighed på lidt under halvdelen af akslens overfladehastighed.

Oliehvirvel opstår, når denne cirkulerende oliefilm begynder at "skubbe" akslen rundt om lejet, hvilket får den til at præcessere i en stor, fremadrettet bane. Hyppigheden af denne hvirvel bestemmes af oliefilmens gennemsnitshastighed, som typisk ligger mellem 42% og 48% af akslens omdrejningshastighed (0,42x til 0,48x)Dette er en klassisk subsynkron vibrationssignatur.

Oliehvirvel: Forløberen

Oliehvirvel er ofte det indledende stadie af ustabilitet. Dens karakteristika er:

• Frekvens: Vises som en tydelig top i FFT-spektret mellem 0,42x og 0,48x omdr./min.
• Opførsel: Hvirvelfrekvensen *vil stige* i takt med at maskinens hastighed øges, og vil altid forblive i det ~45%-område.
• Sværhedsgrad: Det kan forårsage høje, men til tider stabile vibrationer. Det kan opstå eller forsvinde, når maskinens belastning, hastighed eller olietemperatur ændrer sig. Selvom det er uønsket, er det ikke altid umiddelbart destruktivt.

Oil Whip: Den kritiske fare

Oliepisk er en langt mere alvorlig og farlig tilstand, der udvikler sig fra oliehvirvel. Det opstår, når maskinens hastighed øges til et punkt, hvor oliehvirvelfrekvensen (ved ~45% driftshastighed) bliver lig med rotorens første naturlige frekvens (dens første kritiske hastighed).

Når dette sker, "låser" oliehvirvlen sig fast på rotorens naturlige frekvens og fremkalder en resonans. Karakteristikaene for oliepisk er:

• Frekvens: Vibrationsfrekvensen bliver "låst" ved rotorens første naturlige frekvens og *øges ikke yderligere*, selvom maskinen fortsætter med at øge hastigheden.
• Amplitude: Vibrationsamplituden vokser sig meget stor og bliver voldsom og ustabil.
• Opførsel: Oliepisk er ekstremt ødelæggende og forsvinder ikke ved yderligere hastighedsforøgelse. Det kan forårsage katastrofale skader på lejer, pakninger og selve rotoren på meget kort tid.

Den hastighed, hvormed oliepisken begynder, er typisk lidt over det dobbelte af rotorens første kritiske hastighed. En maskine, der oplever oliepisk, kræver øjeblikkelig nedlukning.

Sådan identificerer du Whirl og Whil

• Spektrumanalyse: Led efter en stærk subsynkron peak. Hvis toppens frekvens stiger med hastigheden under en opstart, er den en hvirvelfrekvens. Hvis toppens frekvens "fladlinjer" på et bestemt punkt, mens toppen ved 1x driftshastighed fortsætter med at stige, er den gået over til en whirl-frekvens.
• Orbit plot: Akselens kredsløb vil være en stor, fremadgående cirkel eller ellipse, ofte med 1x driftshastighedsvibrationen overlejret, hvilket skaber et "loop-the-loop"-udseende.
• Vandfaldsgrund: Et vandfaldsplot fra en opstartstest giver det klarest mulige billede og viser, at oliehvirvelfrekvensen stiger med hastighed, indtil den skærer den første naturlige frekvens og overgår til oliepisk.

Årsager og løsninger

Disse ustabiliteter er komplekse og påvirkes af lejedesign, rotorgeometri, olieviskositet, temperatur og belastning. De er ikke forårsaget af ubalance og kan ikke afhjælpes ved afbalancering. Løsninger er typisk ændringer på designniveau, såsom:

• Skift til et mere stabilt lejedesign (f.eks. et vippeleje).
• Ændring af oliens viskositet eller temperatur.
• Forøgelse af lejebelastningen.
• Indførelse af funktioner som riller eller dæmninger i lejet for at forstyrre oliens omkredsstrøm.

← Tilbage til hovedindekset