Was ist Wellenpeitsche? Erklärung starker Rotorinstabilität • Tragbares Auswuchtgerät, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Förderschnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was ist Wellenpeitsche? Erklärung starker Rotorinstabilität • Tragbares Auswuchtgerät, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Förderschnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was ist Wellenpeitsche? Eine Erklärung zu schwerwiegender Rotorinstabilität

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Wellenschwingungen in rotierenden Maschinen verstehen

Definition: Was ist eine Schaftpeitsche?

Schaftpeitsche (auch als Ölpeitsche bezeichnet, wenn sie in hydrodynamischen Lagern auftritt) ist eine schwere Form von Rotorinstabilität gekennzeichnet durch gewalttätig selbsterregte Schwingung Dies tritt auf, wenn ein in Gleitlagern laufender Rotor eine kritische Schwellendrehzahl überschreitet, typischerweise etwa das Doppelte der ersten kritische Geschwindigkeit. Sobald ein Peitscheneffekt auftritt, synchronisiert sich die Schwingungsfrequenz mit der ersten Schwingung des Rotors. Eigenfrequenz und bleibt dort auch bei weiteren Geschwindigkeitssteigerungen, wobei die Amplitude nur durch Lagerspiel oder katastrophales Versagen begrenzt wird.

Wellenschwingungen gehören zu den gefährlichsten Zuständen in schnell rotierenden Maschinen, da sie plötzlich auftreten, innerhalb von Sekunden zerstörerische Amplituden erreichen und nicht korrigiert werden können. Bilanzierung oder anderen herkömmlichen Methoden. Es erfordert eine sofortige Abschaltung und Modifikationen am Lagersystem, um ein erneutes Auftreten zu verhindern.

Die Progression: Ölwirbel zum Wellenpeitschen

Phase 1: Stabiler Betrieb

  • Der Rotor arbeitet unterhalb der Instabilitätsschwelle.
  • Nur normale erzwungene Schwingung von Unwucht gegenwärtig
  • Der Lagerölfilm sorgt für stabile Unterstützung

Phase 2: Beginn des Ölwirbels

Wenn die Geschwindigkeit etwa das Zweifache der ersten kritischen Geschwindigkeit überschreitet:

  • Ölwirbel entwickelt sich – subsynchrone Schwingungen bei etwa 0,43–0,48 × Wellendrehzahl
  • Die Amplitude ist anfänglich moderat und geschwindigkeitsabhängig
  • Die Frequenz steigt proportional zur Wellendrehzahl.
  • Kann intermittierend oder kontinuierlich sein.
  • Kann zusammen mit normalen 1X-Schwingungen aufgrund von Unwucht auftreten.

Phase 3: Peitschenübergang

Wenn die Ölwirbelfrequenz auf die erste Eigenfrequenz ansteigt:

  • Frequenzfixierung: Schwingungsfrequenz synchronisiert sich mit der Eigenfrequenz
  • Resonanzverstärkung: Die Amplitude nimmt aufgrund von Resonanz
  • Plötzlicher Beginn: Der Übergang vom Wirbeln zum Peitschen kann augenblicklich erfolgen
  • Geschwindigkeitsunabhängigkeit: Weitere Geschwindigkeitserhöhungen verändern nicht die Frequenz, sondern nur die Amplitude.

Phase 4: Schaftpeitsche (Kritischer Zustand)

  • Schwingung mit konstanter Frequenz (erste Eigenfrequenz, typischerweise 40-60 Hz)
  • Amplitude 5-20 Mal höher als normale Unwuchtschwingung
  • Die Welle kann die Lagerspielgrenzen berühren
  • Schnelle Erwärmung von Lagern und Öl
  • Es besteht die Gefahr eines katastrophalen Ausfalls innerhalb von Minuten, wenn das System nicht abgeschaltet wird.

Physikalischer Mechanismus

Wie sich Ölpeitsche entwickelt

Der Mechanismus beruht auf der Fluiddynamik im Lagerölfilm:

  1. Ölkeilbildung: Durch die Rotation der Welle wird Öl um das Lager herumgezogen, wodurch ein unter Druck stehender Keil entsteht.
  2. Tangentialkraft: Der Ölkeil übt eine Kraft senkrecht zur radialen Richtung (tangential) aus.
  3. Umlaufbahnbewegung: Die Tangentialkraft bewirkt, dass sich der Wellenmittelpunkt mit etwa der halben Wellengeschwindigkeit dreht.
  4. Energiegewinnung: Das System gewinnt Energie aus der Wellenrotation, um die Orbitalbewegung aufrechtzuerhalten.
  5. Resonanzsperre: Wenn die Umlauffrequenz mit der Eigenfrequenz übereinstimmt, verstärkt die Resonanz die Schwingung.
  6. Grenzzyklus: Die Vibrationen nehmen zu, bis sie durch das Lagerspiel oder einen Lagerausfall begrenzt werden.

Diagnostische Identifizierung

Vibrationssignatur

Wellenpeitschen erzeugen charakteristische Muster in den Vibrationsdaten:

  • Spektrum: Großer Peak bei der Untersynchronfrequenz (erste Eigenfrequenz), konstant unabhängig von Drehzahländerungen
  • Wasserfalldiagramm: Die subsynchrone Komponente erscheint als vertikale Linie (konstante Frequenz) anstatt als diagonale (geschwindigkeitsproportionale) Linie.
  • Auftragsanalyse: Bruchteil der Ordnung, die mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt (z. B. von 0,5× auf 0,4× auf 0,35×).
  • Orbit: Große kreisförmige oder elliptische Umlaufbahn bei Eigenfrequenz

Einsatzgeschwindigkeit

  • Typischer Schwellenwert: 2,0-2,5-fache erste kritische Geschwindigkeit
  • Lagerabhängig: Der genaue Schwellenwert variiert je nach Lagerkonstruktion, Vorspannung und Ölviskosität.
  • Plötzlicher Beginn: Eine geringe Geschwindigkeitserhöhung kann einen schnellen Übergang von stabil zu instabil auslösen.

Präventionsstrategien

Änderungen im Lagerdesign

1. Kippsegmentlager

  • Wirksamste Lösung zur Verhinderung von Wellenpeitschen
  • Die Pads schwenken unabhängig voneinander, wodurch destabilisierende Querkopplungskräfte eliminiert werden.
  • Von Natur aus stabil über weite Geschwindigkeitsbereiche
  • Industriestandard für Hochgeschwindigkeits-Turbomaschinen

2. Druckstaumauerlager

  • Modifiziertes Zylinderlager mit Nuten oder Dämmen
  • Erhöht die effektive Dämpfung und Steifigkeit
  • Günstiger als eine Kippmatte, aber weniger effektiv

3. Lagervorspannung

  • Durch die Anwendung einer radialen Vorspannung auf die Lager wird die Steifigkeit erhöht.
  • Erhöht die Schwellengeschwindigkeit für Instabilität
  • Kann durch versetzte Bohrungskonstruktionen erreicht werden

4. Quetschfilmdämpfer

  • Äußeres Dämpfungselement umgibt Lager
  • Bietet zusätzliche Dämpfung ohne Änderung der Lagerkonstruktion
  • Wirksam für Nachrüstungsanwendungen

Operative Maßnahmen

  • Geschwindigkeitsbegrenzung: Die maximale Betriebsgeschwindigkeit auf einen Wert unterhalb des Schwellenwerts beschränken (typischerweise < 1,8× erster kritischer Wert)
  • Lastmanagement: Wenn möglich, mit höheren Lagerbelastungen arbeiten (erhöht die Dämpfung).
  • Öltemperaturregelung: Niedrigere Öltemperaturen erhöhen die Viskosität und die Dämpfung.
  • Überwachung: Kontinuierliche Schwingungsüberwachung mit Alarmen für subsynchrone Komponenten

Folgen und Schäden

Sofortige Auswirkungen

  • Heftige Vibration: Die Amplituden können mehrere Millimeter (Hunderte von Mils) erreichen.
  • Lärm: Lautes, unverwechselbares Geräusch, das vom normalen Betrieb abweicht.
  • Schnelle Lagererwärmung: Die Lagertemperaturen können innerhalb von Minuten um 20–50 °C ansteigen.
  • Ölabbau: Hohe Temperaturen und Scherkräfte zersetzen Schmierstoff

Mögliche Fehler

  • Lagerreinigungstuch: Das Lagermetall schmilzt und wird abgewischt.
  • Wellenschaden: Riefen, Scheuern oder dauerhaftes Verbiegen
  • Dichtungsfehler: Übermäßige Wellenbewegung zerstört Dichtungen
  • Wellenbruch: Hochzyklusermüdung durch heftige Schwingungen
  • Kupplungsschäden: Übertragene Kräfte beschädigen Kupplungen

Verwandte Phänomene

Ölwirbel

Ölwirbel ist der Vorläufer von Peitsche:

  • Derselbe Mechanismus, aber die Frequenz hat sich nicht auf die Eigenfrequenz eingestellt.
  • Weniger starke Amplitude
  • Frequenz proportional zur Geschwindigkeit (~0,43-0,48×)
  • In manchen Anwendungsfällen möglicherweise tolerierbar.

Dampfwirbel

Eine ähnliche Instabilität tritt bei Dampfturbinen auf, die durch aerodynamische Kräfte in Labyrinthdichtungen und nicht durch Lagerölfilme verursacht wird. Es zeigt sich eine ähnliche subsynchrone Schwingung, die sich an die Eigenfrequenz anpasst.

Trockenreibungspeitsche

Kann an Dichtungsstellen oder durch Rotor-Stator-Kontakt auftreten:

  • Reibungskräfte stellen einen destabilisierenden Mechanismus dar.
  • Weniger verbreitet als Ölpeitsche, aber genauso gefährlich
  • Erfordert einen anderen Korrekturansatz (Kontakt beseitigen, Dichtungsdesign verbessern)

Fallstudie: Wellenpeitsche eines Kompressors

Szenario: Hochgeschwindigkeits-Radialverdichter mit Gleitlagern

  • Normalbetrieb: 12.000 U/min bei einer Vibration von 2,5 mm/s
  • Geschwindigkeitserhöhung: Der Bediener erhöhte die Drehzahl auf 13.500 U/min für eine höhere Kapazität.
  • Beginn: Bei 13.200 U/min traten plötzlich heftige Vibrationen auf
  • Symptome: Bei einer Vibration von 25 mm/s und einer Frequenz von 45 Hz (konstant) stieg die Lagertemperatur innerhalb von 3 Minuten von 70 °C auf 95 °C.
  • Notfallmaßnahmen: Die sofortige Abschaltung verhinderte einen Lagerausfall.
  • Grundursache: Die erste kritische Drehzahl betrug 2700 U/min (45 Hz); die Peitschenschwelle bei 2 × kritisch = 5400 U/min wurde überschritten.
  • Lösung: Die Gleitlager wurden durch Kippsegmentlager ersetzt, wodurch ein sicherer Betrieb bis zu 15.000 U/min ermöglicht wird.

Normen und Branchenpraxis

  • API 684: Erfordert Stabilitätsanalyse für Hochgeschwindigkeits-Turbomaschinen
  • API 617: Legt Lagertypen und Stabilitätsanforderungen für Kompressoren fest.
  • ISO 10814: Bietet Hinweise zur Lagerauswahl für mehr Stabilität
  • Branchenpraxis: Kippsegmentlager sind Standard für Geräte, die mit Drehzahlen über dem Zweifachen der ersten kritischen Drehzahl betrieben werden.

Wellenschwingungen stellen eine katastrophale Ausfallursache dar, die durch die richtige Auswahl und Auslegung von Lagern verhindert werden muss. Die Erkennung ihrer charakteristischen, untersynchronen und frequenzgebundenen Schwingungssignatur ermöglicht eine schnelle Diagnose und angemessene Notfallmaßnahmen, wodurch teure Schäden an kritischen, schnell rotierenden Anlagen vermieden werden.

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