Ölwirbel verstehen

Definition: Was ist Ölwirbel?

Ölwirbel ist eine Art selbsterregter, instabiler Schwingung, die in Maschinen mit Gleitlagern wie großen Turbinen, Kompressoren und Pumpen auftritt. Es handelt sich um eine Form flüssigkeitsinduzierter Instabilität, bei der der Ölfilm, der die Welle stützt, beginnt, die Welle in einer Vorwärts-Kreisbewegung um den Lagerspalt zu drücken. Diese „wirbelnde“ Bewegung ist eine subsynchron Vibration, d. h. sie tritt mit einer Frequenz unterhalb der Laufgeschwindigkeit der Maschine (1X) auf.

Eigenschaften des Ölwirbels

Ölwirbel weisen in den Schwingungsdaten mehrere eindeutige und identifizierbare Merkmale auf:

• Frequenz: Das auffälligste Merkmal ist eine Schwingungsspitze mit großer Amplitude bei einer Frequenz, die etwas weniger als die Hälfte der Laufgeschwindigkeit beträgt, typischerweise zwischen 0,4X und 0,48X (d. h. 40% bis 48% der Rotationsgeschwindigkeit der Welle). Beispielsweise würde bei einer Maschine, die mit 3000 U/min (50 Hz) läuft, ein Ölwirbel bei ungefähr 1200–1440 U/min (20–24 Hz) auftreten.
• Richtung: Die Vibration ist hauptsächlich radial (horizontal und vertikal) und oft stark gerichtet.
• Orbit-Plot: Bei der Betrachtung auf einem Orbit-Diagramm von XY-Näherungssonden erscheint der Ölwirbel als große, vorwärts gerichtete und oft verzerrte (nicht kreisförmige) Umlaufbahn mit einer einzigen, gut definierten inneren Schleife.
• Verhalten: Der Ölwirbel ist nicht an eine bestimmte Drehzahl gebunden. Erhöht sich die Drehzahl der Maschine, erhöht sich auch die Frequenz des Wirbels, wobei das charakteristische Verhältnis von ca. 0,4- bis 0,48-facher Drehzahl stets erhalten bleibt. Dies ist ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zur Strukturresonanz, die unabhängig von der Wellendrehzahl bei einer festen Frequenz auftritt.

Der Mechanismus: Wie entsteht ein Ölwirbel?

Ölwirbel entstehen durch die Dynamik des hydrodynamischen Ölkeils, der die Welle in einem Gleitlager stützt. Im Normalbetrieb zieht die rotierende Welle Öl in einen keilförmigen Spalt, wodurch ein Druckfeld entsteht, das die Welle anhebt und stützt. Die Welle sitzt nicht mittig im Lager, sondern ist leicht versetzt.

Das Öl in diesem Keil zirkuliert ebenfalls mit etwa halber Drehzahl um das Lager. Bei geringer Belastung oder zu großem Lagerspiel können die stabilisierenden Kräfte schwach sein. Schon eine kleine Störung kann dazu führen, dass die Welle vom zirkulierenden Ölfilm erfasst wird, der sie dann kreisförmig um das Lager schiebt. Dadurch entsteht eine selbsterhaltende Vibration, die sehr hohe Amplituden erreichen kann und oft nur durch das Lagerspiel selbst begrenzt wird (d. h. die Welle beginnt, gegen das Lager zu stoßen).

Ölpeitsche: Die schwerere Form

Wenn die Drehzahl der Maschine bis zu dem Punkt ansteigt, an dem die Ölwirbelfrequenz (~0,4X – 0,48X) mit einer der Eigenfrequenzen des Rotors übereinstimmt (a kritische Geschwindigkeit), wird der Zustand viel schwerwiegender. Dies wird genannt Ölpeitsche.

• Gesperrte Frequenz: Die Vibration bleibt bei der Eigenfrequenz des Rotors „einrasten“ und nimmt bei steigender Maschinendrehzahl nicht weiter zu.
• Hohe Amplitude: Der Resonanzzustand führt dazu, dass die Schwingungsamplitude extrem hoch und oft zerstörerisch wird.
• Gefahr: Ölpeitschen ist ein sehr gefährlicher und instabiler Zustand, der zu einem katastrophalen Ausfall der Maschine führen kann.

Häufige Ursachen und Lösungen

• Ursachen: Leicht belastete Lager, übermäßiges Lagerspiel, falsche Ölviskosität (zu niedrig), hoher Öldruck oder eine Maschinenkonstruktion, bei der die kritische Drehzahl etwa bei der doppelten Betriebsdrehzahl liegt.

– Lösungen: Lösungen zielen darauf ab, den instabilen Ölfilm zu unterbrechen. Dies kann eine Erhöhung der Lagerbelastung, die Verwendung einer anderen Ölviskosität oder die Neukonstruktion der Lager mit Anti-Wirbel-Funktionen (z. B. Zitronenbohrung, Druckdamm oder Kippsegmentlager) umfassen.

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