Kritisk hastighed i rotordynamik forklaret

Definition: Hvad er en kritisk hastighed?

A kritisk hastighed er en rotationshastighed, der matcher en rotors naturlige vibrationsfrekvens. Når en maskine kører ved eller nær en af dens kritiske hastigheder, opstår fænomenet resonans forekommer. Dette forårsager en dramatisk og ofte farlig forstærkning af rotorens vibration, da selv en lille mængde resterende ubalance kan generere enorme centrifugalkræfter. Hvert rotorsystem har flere kritiske hastigheder, der svarer til dets forskellige vibrationstilstande (f.eks. første bøjningstilstand, anden bøjningstilstand osv.).

Hvorfor er kritisk hastighed så vigtig?

At forstå og håndtere kritiske hastigheder er et af de mest fundamentale aspekter ved design og analyse af roterende maskiner. Det kan være katastrofalt at betjene en maskine ved en kritisk hastighed, selv i en kort periode. Konsekvenserne omfatter:

• Overdreven vibration: Amplituderne kan øges med en faktor 10, 20 eller endda mere, afhængigt af systemets dæmpning.
• Komponentfejl: Den høje vibration og akseludbøjning kan føre til lejesvigt, beskadigelse af pakninger og gnidninger mellem roterende og stationære dele.
• Katastrofal akselfejl: I alvorlige tilfælde kan bøjningsspændingerne overstige materialets udmattelsesgrænse, hvilket får akslen til at revne eller knække.
• Sikkerhedsfarer: En maskinfejl ved høj hastighed udgør en betydelig risiko for personale og omgivende udstyr.

Af disse grunde er maskiner altid designet til at fungere med en "separationsmargin", hvilket betyder, at dens normale driftshastighed bevidst holdes i sikker afstand fra eventuelle kritiske hastigheder.

Stive vs. fleksible rotorer

Begrebet kritisk hastighed er det, der adskiller en "stiv" rotor fra en "fleksibel":

• Stiv rotor: En rotor, der arbejder *under* sin første kritiske hastighed. Dens aksel bøjes ikke væsentligt under drift. Disse er typisk langsommere og mere robuste rotorer.
• Fleksibel rotor: En rotor, der er designet til at fungere *over* sin første (og nogle gange anden eller tredje) kritiske hastighed. Dens aksel vil bøje og bøje, når den passerer gennem de kritiske hastigheder under opstart og nedlukning. Højhastigheds, slanke rotorer som dem i turbiner og kompressorer er fleksible rotorer.

Håndtering af kritiske hastigheder i maskindrift

Da det ofte ikke er praktisk muligt at designe en højhastighedsmaskine, der holder sig under dens første kritiske hastighed, bruger ingeniører flere strategier til at håndtere dem:

1. Separationsmargen

Den mest almindelige strategi er at sikre, at maskinens kontinuerlige driftshastighed ikke er for tæt på en kritisk hastighed. En typisk separationsmargin er ±20-30%. Hvis en kritisk hastighed f.eks. er 3.000 o/min, bør maskinen ikke køre kontinuerligt mellem 2.400 o/min og 3.600 o/min.

2. Hurtig acceleration/deceleration

For fleksible rotorer, der skal passere kritiske hastigheder, er opstarts- og nedlukningsprocedurer designet til at bevæge sig gennem de kritiske hastighedsområder så hurtigt som muligt. Hvis vibrationsamplituderne forbliver ved en kritisk hastighed, kan de opbygges til farlige niveauer. En hurtig gennemgang minimerer den tid, det tager for denne forstærkning at forekomme.

3. Dæmpning

Dæmpning er spredningen af vibrationsenergi, og det er det, der begrænser peakamplituden ved resonans. Lejer, især fluidfilmlejer, er en primær kilde til dæmpning i rotorsystemer. Ved at optimere lejedesign kan ingeniører kontrollere vibrationstoppen ved den kritiske hastighed til et sikkert og håndterbart niveau.

4. Præcisionsbalancering

Vibrationen ved en kritisk hastighed er en forstærket reaktion på ubalance. Jo bedre en rotor er afbalanceret, desto mindre vil tvangsfunktionen være, og derfor desto lavere vil peakvibrationen være, når den passerer gennem den kritiske hastighed. For fleksible rotorer kræves der særlige flerplansafbalanceringsteknikker.

Hvordan identificeres kritiske hastigheder?

Kritiske hastigheder identificeres ved hjælp af flere metoder:

• Rotordynamisk analyse (RDA): Computermodeller (ofte ved hjælp af Finite Element Analysis) oprettes i designfasen for at forudsige de kritiske hastigheder og modeformer for en rotor.
• Opstarts-/friløbstest: Den mest almindelige eksperimentelle metode. Vibrationsamplitude og -fase afbildes mod hastighed, når en maskine starter eller lukker ned. En kritisk hastighed identificeres ved en tydelig top i amplitude ledsaget af et karakteristisk 180-graders faseskift. Disse tests genererer diagnostiske plots som f.eks. Bode-plottet og Vandfaldsgrund.
• Stødprøvning (stødprøvning): Hvis man slår på rotoren med en instrumenteret hammer, når den er i hvile, kan man excitere dens naturlige frekvenser, som svarer til de kritiske hastigheder.

← Tilbage til hovedindekset