Was ist Rotorinstabilität? Selbsterregte Schwingung • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was ist Rotorinstabilität? Selbsterregte Schwingung • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was ist Rotorinstabilität? Selbsterregte Schwingung

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Rotorinstabilität verstehen

Definition: Was ist Rotorinstabilität?

Rotorinstabilität ist ein Zustand in rotierenden Maschinen, bei dem selbsterregte Schwingung entwickelt und wächst ohne Grenzen (nur begrenzt durch nichtlineare Effekte oder Systemfehler). Im Gegensatz zu Vibrationen aus Unwucht oder Fehlausrichtung, bei denen es sich um erzwungene Schwingungen handelt, die auf äußere Kräfte reagieren, ist die Rotorinstabilität eine sich selbst erhaltende Schwingung, bei der der gleichmäßigen Drehbewegung der Welle kontinuierlich Energie entzogen und in die Schwingungsbewegung eingespeist wird.

Rotorinstabilität ist eine der gefährlichsten Bedingungen in Rotordynamik weil es plötzlich auftreten kann, schnell zu zerstörerischen Amplituden anwachsen kann und nicht durch Bilanzierung oder Ausrichtung. Es erfordert eine sofortige Abschaltung und Korrektur des zugrunde liegenden destabilisierenden Mechanismus.

Grundlegender Unterschied: Erzwungene vs. selbsterregte Schwingung

Erzwungene Vibration (stabil)

Die häufigsten Maschinenvibrationen sind erzwungen:

  • Äußere Kraft (Unwucht, Fehlausrichtung) treibt die Vibration an
  • Schwingungsamplitude proportional zur Kraftstärke
  • Die Frequenz entspricht der erzwungenen Frequenz (1X, 2X usw.)
  • Durch das Entfernen der Kraft werden die Vibrationen beseitigt
  • Das System ist stabil – die Vibration nimmt nicht grenzenlos zu

Selbsterregte Schwingung (instabil)

Eine Rotorinstabilität erzeugt selbsterregte Schwingungen:

  • Die Energie wird aus der Rotation selbst gewonnen, nicht aus externen Kräften.
  • Die Amplitude wächst exponentiell, sobald die Schwellengeschwindigkeit überschritten wird
  • Frequenz typischerweise bei oder nahe einer Eigenfrequenz (oft subsynchron)
  • Setzt sich fort und wächst, auch wenn das Ungleichgewicht beseitigt wird
  • Das System ist instabil – nur Herunterfahren oder Korrekturmaßnahmen können es stoppen

Häufige Arten von Rotorinstabilität

1. Ölwirbel

Ölwirbel ist die häufigste Instabilität in Flüssigkeitsfilm-Lagersystemen:

  • Mechanismus: Ölkeil im Lager erzeugt Tangentialkraft auf die Welle
  • Frequenz: Typischerweise 0,42–0,48-fache Laufgeschwindigkeit (subsynchron)
  • Schwelle: Tritt auf, wenn die Geschwindigkeit etwa das Doppelte der ersten kritischen Geschwindigkeit überschreitet
  • Symptom: Subsynchrone Vibration mit hoher Amplitude, die mit der Geschwindigkeit zunimmt
  • Lösung: Änderungen der Lagerkonstruktion, Vorspannung oder Versatzkonfigurationen

2. Ölpeitsche (schwere Instabilität)

Oil Whip ist eine schwere Form des Ölwirbels:

  • Mechanismus: Ölwirbel rastet auf eine Eigenfrequenz ein
  • Frequenz: Blockiert bei der ersten Eigenfrequenz, unabhängig von Geschwindigkeitserhöhungen
  • Schwelle: Tritt bei der doppelten ersten kritischen Geschwindigkeit auf
  • Symptom: Sehr hohe Amplitude, konstante Frequenz trotz Geschwindigkeitsänderungen
  • Gefahr: Kann innerhalb weniger Minuten katastrophale Lager- und Wellenschäden verursachen

3. Dampfwirbel

Tritt bei Dampfturbinen mit Labyrinthdichtungen auf:

  • Mechanismus: Aerodynamische Querkopplungskräfte in Dichtungsspalten
  • Frequenz: Subsynchron, nahe der Eigenfrequenz
  • Bedingungen: Hohe Druckunterschiede an Dichtungen
  • Lösung: Drallbremsen, Anti-Drall-Geräte, Dichtungsdesign-Modifikationen

4. Wellenpeitsche

Allgemeiner Begriff für verschiedene selbsterregte Instabilitäten:

  • Kann durch innere Dämpfung im Wellenmaterial verursacht werden
  • Trockenreibungspeitschen durch Dichtungen oder Reibungen
  • Aerodynamische oder hydrodynamische Kreuzkopplungskräfte

Merkmale und Symptome

Vibrationssignatur

Rotorinstabilität erzeugt charakteristische Schwingungsmuster:

  • Subsynchrone Frequenz: Vibrationsfrequenz weniger als 1× Laufgeschwindigkeit (typischerweise 0,4–0,5×)
  • Geschwindigkeitsunabhängigkeit: Sobald die Instabilität einsetzt, bleibt die Frequenz konstant, auch wenn sich die Geschwindigkeit ändert
  • Schnelles Wachstum: Die Amplitude steigt exponentiell an, sobald die Schwellengeschwindigkeit überschritten wird
  • Hohe Amplitude: Kann die 2- bis 10-fache Amplitude der Unwuchtschwingung erreichen
  • Vorwärtspräzession: Die Wellenumlaufbahn dreht sich in die gleiche Richtung wie die Wellenrotation

Onset-Verhalten

  • Instabilität hat typischerweise eine Schwellengeschwindigkeit
  • Unterhalb des Schwellenwerts: System ist stabil, nur erzwungene Vibration vorhanden
  • An der Schwelle: Kleine Störung löst den Beginn aus
  • Über dem Schwellenwert: Instabilität entwickelt sich schnell
  • Kann zunächst intermittierend sein, dann kontinuierlich werden

Diagnostische Identifizierung

Wichtige Diagnoseindikatoren

Unterscheiden Sie Instabilität von anderen Vibrationsquellen:

Merkmal Unwucht (erzwungen) Instabilität (Selbsterregung)
Frequenz 1× Laufgeschwindigkeit Subsynchron (oft ~0,45×)
Amplitude vs. Geschwindigkeit Steigt gleichmäßig mit der Geschwindigkeit² Plötzlicher Beginn über der Schwelle
Reaktion auf den Ausgleich Vibrationen reduziert Keine Verbesserung
Frequenz vs. Geschwindigkeit Tracks mit Geschwindigkeit (konstante Reihenfolge) Konstante Frequenz (Änderungsreihenfolge)
Abschaltverhalten Reduziert mit der Geschwindigkeit Kann nach Geschwindigkeitsabfall kurzzeitig bestehen bleiben

Bestätigung der Instabilität

  • Ausführen Auftragsanalyse—Instabilität zeigt sich als konstante Frequenz, wechselnde Reihenfolge
  • Wasserfall-Grundstück zeigt, dass die Frequenz nicht mit der Geschwindigkeit übereinstimmt
  • Der Ausgleich hat keine Auswirkungen auf die untersynchrone Komponente
  • Orbitanalyse zeigt Vorwärtspräzession bei Eigenfrequenz

Prävention und Schadensbegrenzung

Designüberlegungen

  • Ausreichende Dämpfung: Lagersysteme mit ausreichender Dämpfung um Instabilität zu verhindern
  • Lagerauswahl: Wählen Sie Lagertypen und -konfigurationen, die eine gute Dämpfung bieten (Kippsegmentlager, vorgespannte Lager)
  • Steifigkeitsoptimierung: Richtige Wellen- und Lagersteifigkeitsverhältnisse
  • Betriebsdrehzahlbereich: Für den Betrieb unterhalb der Instabilitätsschwelle ausgelegt

Lösungen für die Lagerkonstruktion

  • Kippsegmentlager: Inhärent stabiler Lagertyp für Hochgeschwindigkeitsanwendungen
  • Druckdammlager: Modifizierte Geometrie zur Erhöhung der effektiven Dämpfung
  • Lagervorspannung: Erhöht die Steifigkeit und Dämpfung und erhöht die Grenzgeschwindigkeit
  • Quetschfilmdämpfer: Externe Dämpfungsvorrichtungen um die Lager

Operative Lösungen

  • Geschwindigkeitsbegrenzung: Maximalgeschwindigkeit auf unter den Schwellenwert begrenzen
  • Lasterhöhung: Höhere Traglasten können die Stabilitätsreserven verbessern
  • Temperaturregelung: Die Lageröltemperatur beeinflusst Viskosität und Dämpfung
  • Kontinuierliche Überwachung: Früherkennung ermöglicht Abschaltung, bevor Schäden entstehen

Notfallmaßnahmen

Wenn während des Betriebs eine Rotorinstabilität erkannt wird:

  1. Sofortmaßnahmen: Geschwindigkeit reduzieren oder sofort abschalten
  2. Versuchen Sie nicht, das Gleichgewicht zu halten: Auswuchten behebt keine Instabilität und verschwendet Zeit
  3. Dokumentbedingungen: Aufzeichnung der Geschwindigkeit beim Einsetzen, der Frequenz und des Amplitudenverlaufs
  4. Grundursache untersuchen: Identifizieren Sie, welcher Instabilitätsmechanismus vorhanden ist
  5. Korrektur implementieren: Ändern Sie Lager, Dichtungen oder Betriebsbedingungen nach Bedarf
  6. Fix überprüfen: Vor der Wiederinbetriebnahme sorgfältig testen und genau überwachen

Stabilitätsanalyse

Ingenieure können Instabilitäten durch Stabilitätsanalysen vorhersagen und verhindern:

  • Eigenwerte des Rotor-Lager-Systems berechnen
  • Realteil des Eigenwerts zeigt Stabilität an (negativ = stabil, positiv = instabil)
  • Identifizieren Sie Schwellengeschwindigkeiten, bei denen sich die Stabilität ändert
  • Designänderungen zur Gewährleistung ausreichender Stabilitätsreserven
  • Erfordert oft spezielle Rotordynamik-Software

Rotorinstabilität kommt zwar seltener vor als Unwucht oder Fehlausrichtung, stellt jedoch einen der schwerwiegendsten Schwingungszustände bei rotierenden Maschinen dar. Für Ingenieure und Techniker, die mit schnell rotierenden Maschinen arbeiten, sind das Verständnis der Mechanismen, das Erkennen der Symptome und die Kenntnis geeigneter Korrekturmaßnahmen unerlässlich.

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