Rotorwirbel- und Peitscheninstabilitäten verstehen

Definition: Was sind Whirl und Whip?

Ölwirbel und Ölpeitsche sind zwei verwandte und höchst gefährliche Formen der Selbsterregung, subsynchron Vibrationen, die in schnell rotierenden Maschinen mit Gleitlagern auftreten. Es handelt sich nicht um erzwungene Vibrationen, die durch Unwucht verursacht werden, sondern Rotorinstabilitäten Dabei erzeugt die Bewegung des Rotors selbst die Kräfte, die die Vibration aufrechterhalten und verstärken. Beide sind dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle innerhalb ihres Lagerspiels „wirbelt“ – sich also in einer großen Umlaufbahn vorwärts bewegt.

Der Mechanismus: Wie funktioniert er?

Bei einem Flüssigkeitsfilmlager wird die rotierende Welle von einem unter hohem Druck stehenden Ölkeil getragen. Die Welle befindet sich nicht in der Mitte des Lagers, sondern gleitet seitlich nach oben. Da das Öl von der Welle mitgerissen wird, zirkuliert es mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit, die etwas weniger als der halben Oberflächengeschwindigkeit der Welle entspricht.

Ölwirbel tritt auf, wenn dieser zirkulierende Ölfilm beginnt, die Welle um das Lager zu „schieben“, wodurch sie in einer großen Vorwärtsbewegung präzediert. Die Frequenz dieses Wirbels wird durch die Durchschnittsgeschwindigkeit des Ölfilms bestimmt, die typischerweise zwischen 42% und 48% der Laufgeschwindigkeit der Welle (0,42x bis 0,48x)Dies ist eine klassische subsynchrone Schwingungssignatur.

Ölwirbel: Der Vorläufer

Ein Ölwirbel ist oft das erste Stadium der Instabilität. Seine Merkmale sind:

• Frequenz: Erscheint als deutlicher Peak im FFT-Spektrum zwischen 0,42x und 0,48x U/min.
• Verhalten: Die Frequenz des Wirbels *wird zunehmen*, wenn die Geschwindigkeit der Maschine zunimmt, und bleibt immer in diesem Bereich von ~45%.
• Schwere: Es kann zu starken, aber manchmal stabilen Vibrationen kommen. Diese können je nach Maschinenlast, Drehzahl oder Öltemperatur auftreten oder verschwinden. Obwohl unerwünscht, sind sie nicht immer sofort zerstörerisch.

Ölpeitsche: Die kritische Gefahr

Ölpeitsche ist ein weitaus schwerwiegenderer und gefährlicherer Zustand, der durch Ölwirbel entsteht. Er tritt auf, wenn die Drehzahl der Maschine bis zu einem Punkt ansteigt, an dem die Ölwirbelfrequenz (bei ~45% der Laufgeschwindigkeit) gleich der Rotorfrequenz wird. erste Eigenfrequenz (seine erste kritische Geschwindigkeit).

In diesem Fall rastet der Ölwirbel auf die Eigenfrequenz des Rotors ein und regt eine Resonanz an. Die Merkmale des Ölwirbels sind:

• Frequenz: Die Schwingfrequenz bleibt bei der ersten Eigenfrequenz des Rotors „fixiert“ und *steigt nicht weiter an*, auch wenn die Maschine weiter beschleunigt.
• Amplitude: Die Schwingungsamplitude wird sehr groß und heftig und instabil.
• Verhalten: Ölschlag ist äußerst zerstörerisch und verschwindet auch bei weiterer Drehzahlerhöhung nicht. Er kann innerhalb kürzester Zeit katastrophale Schäden an Lagern, Dichtungen und dem Rotor selbst verursachen.

Die Drehzahl, bei der das Ölschlagen beginnt, liegt typischerweise etwas über dem Doppelten der ersten kritischen Drehzahl des Rotors. Eine Maschine, bei der Ölschlagen auftritt, muss sofort abgeschaltet werden.

So erkennen Sie Whirl und Whip

• Spektrumanalyse: Suchen Sie nach einem starken subsynchronen Peak. Steigt die Frequenz des Peaks beim Anfahren mit der Geschwindigkeit, handelt es sich um einen Wirbel. Verfliegt die Frequenz des Peaks an einem bestimmten Punkt, während der Peak bei einfacher Laufgeschwindigkeit weiter ansteigt, handelt es sich um einen Peitscheneffekt.
• Orbit-Plot: Die Wellenumlaufbahn ist ein großer, vorwärts gerichteter Kreis oder eine Ellipse, oft mit überlagerter Schwingung der einfachen Laufgeschwindigkeit, wodurch ein „Looping“-Effekt entsteht.
• Wasserfalldiagramm: Ein Wasserfalldiagramm aus einem Anlauftest liefert das klarste Bild. Es zeigt, wie die Ölwirbelfrequenz mit der Geschwindigkeit zunimmt, bis sie die erste Eigenfrequenz schneidet und in einen Ölschlag übergeht.

Ursachen und Lösungen

Diese Instabilitäten sind komplex und werden durch Lagerkonstruktion, Rotorgeometrie, Ölviskosität, Temperatur und Belastung beeinflusst. Sie werden nicht durch Unwucht verursacht und können nicht durch Auswuchten behoben werden. Lösungen sind in der Regel konstruktive Änderungen, wie zum Beispiel:

• Wechsel zu einer stabileren Lagerkonstruktion (z. B. Kippsegmentlager).
• Änderung der Ölviskosität oder -temperatur.
• Erhöhung der Traglast.
• Durch das Einbringen von Merkmalen wie Nuten oder Dämmen in das Lager wird der Umfangsfluss des Öls unterbrochen.

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