Ölwirbel verstehen
Ölwirbel ist eine Art von selbsterregter, instabiler Schwingung, die in Maschinen auftritt, die mit einem Flüssigkeitsfilm (Wellenzapfen) Lager – darunter große Turbinen, Kompressoren und Pumpen. Es handelt sich um eine Form der durch Flüssigkeit verursachten Instabilität bei dem der die Welle tragende Ölfilm beginnt, die Welle innerhalb des Lagerspiels in einer vorwärts gerichteten Kreisbewegung zu verschieben. Da dieses Wirbeln mit einer Frequenz auftritt, die unter der Betriebsdrehzahl der Maschine (1×) liegt, handelt es sich um ein subsynchron Schwingung – und da sie sich selbst anregt, benötigt sie keine externe Antriebskraft, um sie aufrechtzuerhalten.
1. Definition: Was ist ein Ölwirbel?
Im Gegensatz zu Unwucht, die eine synchrone (1×) erzwungene Schwingung, ist ein Ölwirbel eine selbsterregte Schwingung: Die Antriebsenergie stammt aus der gleichmäßigen Drehung der Welle selbst, die über den Lagerölfilm übertragen wird. Dieser Unterschied ist für die Diagnose von Bedeutung, da selbstangeregte Instabilitäten plötzlich auftreten, schnell zunehmen und nicht wie eine 1×-Unwucht „ausgeglichen“ werden können.
2. Merkmale des Ölwirbels
Der Ölwirbel weist in den Schwingungsdaten mehrere eindeutige, erkennbare Merkmale auf:
- Frequenz: Das auffälligste Merkmal ist eine Spitze mit großer Amplitude bei einer Frequenz, die etwas unter der Hälfte der Betriebsdrehzahl liegt – typischerweise zwischen 0,4× und 0,48× (40 % bis 48 % der Wellendrehzahl). Bei einer Maschine, die mit 3000 U/min (50 Hz) läuft, würde der Ölwirbel bei etwa 1200–1440 U/min (20–24 Hz) auftreten.
- Richtung: Die Schwingung ist überwiegend radial (horizontal und vertikal) ausgerichtet und häufig stark richtungsabhängig.
- Orbit-Plot: dargestellt in einem X–Y-Orbit-Diagramm Näherungssonden, erscheint der Ölwirbel als große, vorwärtspräzedierende, oft verzerrte (nicht kreisförmige) Orbitkurve, die eine einzige, klar abgegrenzte innere Schleife enthält.
- Verhalten: Der Ölwirbel ist nicht an eine feste Frequenz gebunden. Wenn die Maschine an Geschwindigkeit zunimmt, passt sich die Wirbelfrequenz daran an und behält stets das charakteristische Verhältnis von etwa 0,4 bis 0,48 der neuen Betriebsgeschwindigkeit bei. Dieses geschwindigkeitsabhängige Verhalten ist das entscheidende Unterscheidungsmerkmal gegenüber einem Strukturresonanz, die unabhängig von der Wellendrehzahl bei einer festen Frequenz bleibt.
Um diese Merkmale präzise zu erfassen, ist eine phasenbezogene Mehrkanalmessung erforderlich. Ein Kaskaden- (Wasserfall-)Diagramm aufgenommen während einer Anlauf oder Ausrollen ist besonders aufschlussreich, da sich der subsynchrone Spitzenwert mit der Betriebsdrehzahl mitbewegt, anstatt an Ort und Stelle zu verharren.
3. Der Mechanismus: Wie entsteht ein Ölwirbel?
Der Ölwirbel entsteht durch die Dynamik des hydrodynamischen Ölkeils, der die Welle in einem Gleitlager stützt. Im Normalbetrieb saugt die rotierende Welle Öl in einen keilförmigen Spalt, wodurch ein Druckfeld entsteht, das die Welle anhebt und stützt. Die Welle sitzt nicht in der Mitte des Lagers, sondern läuft leicht versetzt, in einem Neigungswinkel zur Belastungslinie.
Das Öl in diesem Keil zirkuliert selbst mit etwa der halben Oberflächengeschwindigkeit der Welle um das Lager herum – genau deshalb liegt die daraus resultierende Instabilität knapp unter dem 0,5-fachen. Wenn das Lager nur leicht belastet ist oder übermäßige Spielraum, lassen die stabilisierenden Kräfte nach. Eine kleine Störung kann dann dazu führen, dass die Welle vom Schmierfilm „eingefangen“ wird, der sie auf einer Kreisbahn um das Lager herumtreibt. Das Ergebnis ist eine sich selbst erhaltende Schwingung, die eine sehr hohe Amplitude erreichen kann und oft nur durch das Lagerspiel selbst begrenzt wird – an diesem Punkt beginnt die Welle, die Lagerfläche zu berühren.
4. Ölpeitsche: Die schwerwiegendere Form
Wenn die Maschine so stark beschleunigt, dass die Ölwirbel-Frequenz (~0,4–0,48×) mit einer der Eigenfrequenzen des Rotors übereinstimmt - eine kritische Drehzahl — verschlimmert sich der Zustand dramatisch. Man nennt dies Ölpeitsche, die heftigste Erscheinungsform des umfassenderen Wirbel und Peitsche Familie von Instabilitäten.
- Eingerastete Frequenz: Die Schwingung „stellt sich“ auf die Eigenfrequenz des Rotors ein und nimmt nicht mehr zu, wenn die Maschine weiter beschleunigt.
- Hohe Amplitude: Der Resonanzzustand führt zu einer extrem hohen Amplitude.
- Gefahr: Ölpeitsche ist ein äußerst gefährlicher, instabiler Zustand, der zu katastrophalen Ausfällen führen kann, darunter Lagerfresser und schwere Rotorreibung.
5. Häufige Ursachen und Lösungen
- Ursachen: Lager mit geringer Belastung, zu großes Lagerspiel, zu niedrige Ölviskosität, zu hoher Ölversorgungsdruck oder eine Maschinenkonstruktion, bei der die kritische Drehzahl etwa doppelt so hoch ist wie die Betriebsdrehzahl (sodass der Rotor genau dann seine kritische Drehzahl erreicht, wenn die Wirbelfrequenz eintritt).
- Lösungen: Die Maßnahmen zielen darauf ab, den instabilen Ölfilm zu stören. Zu den Möglichkeiten gehören die Erhöhung der Lagerbelastung, die Anpassung der Ölviskosität und die Neukonstruktion des Lagers mit einer Anti-Whirl-Geometrie – Lemon-Bore (elliptisch), Pressure-Dam oder Mehrfachlappen- und Kippsegment- Entwürfe, die den symmetrischen Filmfluss unterbrechen. Einbau eines Quetschfolien-Dämpfer kann bei manchen Maschinen für eine stabilisierende Dämpfung sorgen.
Um eine Diagnose vor Ort zu bestätigen, muss man den subsynchronen Spitzenwert und dessen Phase messen und die synchronen Ursachen – Unwucht und Fehlausrichtung – zuerst. Ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A erfasst die Amplitude und Phase über die Schwingungsspektrum und prüft, ob die 1×-Komponente akzeptabel ist; wenn die Restschwankung von 1× sauber ist, aber dennoch ein starker ~0,45×-Peak bestehen bleibt und der Drehzahl folgt, liegt das Problem in einer Instabilität des Flüssigkeitsfilms, wie z. B. einem Ölwirbel, und nicht in einem Unwuchtfehler – und die Lösung liegt im Lager, nicht in Korrekturgewichten. Die charakteristischen Instabilitätsfrequenzen können mit einem Frequenzrechner für Gleitlager (Ölwirbel und Ölpeitsche).
