Rootori keerise ja piitsa ebastabiilsuse mõistmine
Keerisliikumine ja õlivõnkumine — esineb kõige sagedamini kui õli keeris ja oil whip — on kaks omavahel seotud ja äärmiselt ohtlikku isevõnkuva subsünkroonne vibratsioon mis tekivad vedelikukilega töötavates kiiresti pöörlevates masinates (ajakiri) laagrites. Need ei ole sunnitud vibratsioonid mida põhjustavad sellised vead nagu tasakaalustamatus või joondusviga; tegelikult on need rootori ebastabiilsused kus rootori liikumine tekitab ise need jõud, mis vibratsiooni säilitavad ja võimendavad. Mõlemal juhul „keerleb“ võll – see liigub pretsessiooniga edasi laias orbiidis laagrite vahekauguse piires, joonistades teekonna, mis on täiesti eraldiseisev võlli enda pöörlemisest.
1. Mõiste: Mis on Whirl ja Whip?
Tasub eristada kahte mõistet, mida igapäevane termin „keeris” omavahel segab. Pöörlemine pöörleb rootor oma geomeetrilise telje ümber. Keerisliikumine (või pretsessioon) on selle telje kui terviku pöörlemine suurema ringi ümber laagri sees – kujutage ette keerlevat münti, mille keskpunkt liigub samal ajal laua ümber. Kõik rootorid pöörlevad veidi; probleemid algavad siis, kui see pöörlemine ei ole enam lihtsalt loomulik reaktsioon jääktasakaalustamatus ja muutub isekütke, saades oma energia pigem püsivast pöörlemisest kui mingist välisest mõjust. Õlipööris on laagrikile poolt ajendatud isepõhjustatud pretsessioon; õlipiits on vägivaldne resonants, milleni see võib areneda. Kuna energiaallikaks on pöörlemine ise, ei ole neid ebastabiilsusi võimalik tasakaalustada – see on oluline erinevus sünkroonsetest probleemidest.
2. Mehhanism: kuidas see toimib?
Vedelikukilega laagris ei toeta pöörlevat võlli mitte metallidevaheline kontakt, vaid kõrgsurveõli kiil. Võll ei asu laagri keskel, vaid liigub ühele küljele, kuna seda nihutab kandev koormus. Kuna võlli pind tõmbab õli ringikujulise vahe ümber, ringleb määrdeaine keskmise kiirusega, mis on veidi väiksem kui pool võlli pinnakiirusest — võlli puudutav vedelik liigub võlli kiirusel, paigalseisva laagerseina vastu surutud vedelik on peaaegu liikumatu ning vedeliku keskmine kiirus jääb veidi alla 0,5×.
Õlipööris tekib siis, kui see ringlev õlikile hakkab kergelt koormatud võlli enda ees „tõukama”, lükates selle laagrist eemale suurele edasiliikuva orbiidile. Pöörise sagedus sõltub õlikile keskmisest kiirusest, mis jääb tavaliselt vahemikku 42% ja 48% jooksukiirusest (0,42–0,48 korda). See iseloomulik sub-sünkroonne tunnusjoon – ligi, kuid mitte kunagi täpselt pool töökiirus — ongi see tunnusmärk, mida analüütikud otsivad. (See „veidi vähem kui pool” on ka põhjus, miks õli keerist mõnikord vabalt „poolkiirusega keeriseks” nimetatakse, kuigi tegelik väärtus ei ulatu kunagi päris 0,5-ni.)
3. Õlipööris: eelkäija
Õlipööris on tavaliselt ebastabiilsuse algusetapp – hoiatus, mitte veel katastroof. Selle tunnused on järgmised:
- Sagedus: ilmub selge tipuna FFT spekter vahemikus 0,42× kuni 0,48× pöördeid minutis.
- Käitumine: pöörise sagedus suureneb masina kiirenedes, püsides alati umbes 45% juures pöörlemiskiirusest. Kiirendamisel tõuseb see 1× joone all subsünkroonse varjuna.
- Raskusaste: see võib tekitada tugevat, kuid mõnikord stabiilset vibratsiooni, mis võib ilmneda või kaduda koormuse, pöörlemiskiiruse või õli temperatuuri muutudes. See on kindlasti soovimatu, kuid ei pruugi alati kohe kahjulik olla.
- Tundlikkus: Sageli on süüdlasteks liiga kergelt koormatud, ülemõõdulised või kulunud laagrid, sest madal erikoormus võimaldab õlikilbil võtta üle võlli asendi määramise.
4. Õlipiits: kriitiline oht
Õlipiits on palju tõsisem seisund, mis tekib otseselt õlipöörisest. See tekib siis, kui masin kiireneb niivõrd, et õlipöörise sagedus (umbes 45% pöörlemiskiirusest) tõuseb rootori esimene omasagedus — selle esimene kriitiline kiirus. Sel hetkel „lukustub“ keeris omavõnkesagedusele ja paneb täies ulatuses võnkuma resonants. Selle omadused on järgmised:
- Sagedus: vibratsioon lukustub rootori esimesele omavõnkesagedusele ja ei tõuse enam, isegi kui masin kiirust jätkuvalt suurendab – nii et sub-sünkroonne tipp „jääb paigale”, samal ajal kui 1× tipp edasi liigub.
- Amplituud: vibratsioon muutub väga tugevaks, muutudes ägedaks ja ebastabiilseks.
- Käitumine: õlipiits on äärmiselt hävitav ja mitte edasise kiirendamisega ei kao. See võib väga lühikese aja jooksul rikkuda laagrid, tihendid ja isegi rootori, mõnikord tugeva rootori hõõrdumine kui orbiit täidab vaba ruumi.
Kiirus, mille juures õlipiits tekib, on tavaliselt veidi üle kaks korda suurem kui rootori esimene kriitiline kiirus — punkt, kus ~0,5× pöörlemisjoon ristub esimese omavõnkesagedusega. Õlipiitsa mõju all olev masin vajab viivitamatut väljalülitamine; just selline on olukord, kus masinate kaitse need süsteemid on loodud selleks, et neid lülitada välja.
5. Kuidas tuvastada õlipöörist ja õlipiitsa
- Spektri analüüs: otsi tugevat subsünkroonset piiki. Kui kiirenduse ajal tõuseb selle piigi sagedus koos kiirusega, on tegemist keerisega; kui see püsib kindlal tasemel, samal ajal kui 1× piik jätkab tõusu, on tegemist piitsaga.
- Orbiidi graafik: telje orbiit on suur, ettepoole pretsesseeruv ring või ellips, millele on sageli lisatud 1×-komponent, mis annab iseloomuliku „loop-the-loop“-mustri.
- Jugadiagramm: kaskaaddiagramm (ehk kaskaad) graafik käivituse ajal annab kõige selgema pildi, näidates, kuidas pöörise sagedus kiiruse kasvades suureneb, kuni see ristub esimese omavõnkesagedusega ja lukustub õlipiitsaks. Nende ristumiskohtade kaardistamine ongi just see, mida Campbelli diagramm on mõeldud.
Kuna õlipööris ja õlipiits jäävad alla 1×, peab analüsaator ulatuma tunduvalt alla pöörlemiskiiruse ja määrama faasi täpselt. Selline kaasaskantav kahekanaliline seade nagu Balanset-1A salvestab sünkroniseeritud amplituud ja faas kiirenduse või vabakäigu ajal mõõdetud pöörlemiskiiruse komponendi, mis võimaldab inseneril kohapeal kindlaks teha, et püsiv madalsageduslik piik on tingitud laagrite ebastabiilsusest, mitte tavalisest tasakaalustamatuse probleemist – ning mis on sama kasulik, välistada tasakaalustamisprobleemi enne, kui hakatakse otsima lahendust, mis ei oleks niikuinii toiminud.
6. Põhjused ja lahendused
Neid ebastabiilsusi mõjutavad laagri konstruktsioon, rootori geomeetria, õli viskoossus, temperatuur ja koormus – keeruline vastastikmõjude kogum, mis on formaalselt kirjeldatud rootori dünaamika. Neid ei põhjusta tasakaalustamatus ja neid ei saa kõrvaldada tasakaalustamine; lahenduseks on muudatused disainitasandil:
- Võtke kasutusele stabiilsem laagrikonstruktsioon, näiteks kallutatava padjaga liuglaager.
- Muutke õli viskoossust või töötemperatuuri, et muuta õlikile omadusi.
- Suurendage laagri koormust, et võll istuks kindlalt ja õlikiil ei saaks enam mõju avaldada.
- Lisage sooned, telgsuunalised tõkked või „lemon-bore“ profiilid, mis katkestavad pöörlevat voolu toitva ümbermõõdulise õlivoolu.
Sellega tihedalt seotud ebastabiilsus, aurukeeris, tuleneb turbiinides pigem aerodünaamilistest jõududest kui õlikile jõududest, kuid tekitab sarnase isesüttiva subsünkroonse pildi – meeldetuletuseks, et „keeris” on nähtuste rühm, mida ühendab üks omadus: rootor suunab energiat omaenda orbiiti.
