درک چرخش بخار در توربوماشین‌ها
تعریف: چرخش بخار چیست؟
چرخش بخار (که به آن ناپایداری اتصال متقاطع آیرودینامیکی یا چرخش آب‌بند نیز گفته می‌شود) یک ارتعاش خود برانگیخته پدیده‌ای که در توربین‌های بخار و توربین‌های گازی رخ می‌دهد، زمانی که نیروهای آیرودینامیکی در آب‌بندهای لابیرنتی، فواصل نوک پره‌ها یا سایر مجاری حلقوی، نیروهای مماسی ناپایدارکننده‌ای را روی ... ایجاد می‌کنند. روتور. لایک چرخش روغن در یاتاقان‌های هیدرودینامیکی، چرخش بخار نوعی از ناپایداری روتور جایی که انرژی به طور مداوم از جریان ثابت بخار یا گاز استخراج شده و به حرکت ارتعاشی تبدیل می‌شود.
چرخش بخار معمولاً به صورت جریان زیرسنکرون با دامنه بالا ظاهر می‌شود. لرزش در فرکانسی نزدیک به یکی از روتورها فرکانس‌های طبیعی, و اگر به سرعت تشخیص داده و اصلاح نشود، می‌تواند منجر به خرابی فاجعه‌بار شود.
مکانیسم فیزیکی
چگونگی ایجاد چرخش بخار
این مکانیزم شامل دینامیک سیالات در فواصل باریک آب‌بندهای توربین است:
۱. فواصل آب‌بندی هزارتو
- بخار یا گاز از طریق مجاری باریک حلقوی بین اجزای آب‌بند چرخان و ثابت جریان می‌یابد.
- اختلاف فشار بالا در سراسر آب‌بندها (اغلب ۵۰ تا ۲۰۰ بار)
- فواصل شعاعی کم (معمولاً 0.2-0.5 میلی‌متر)
- بخار هنگام عبور از دندانه‌های آب‌بند، می‌چرخد
۲. کوپلینگ متقاطع آیرودینامیکی
وقتی روتور از مرکز جابجا می‌شود:
- فاصله بین دندان‌ها نامتقارن می‌شود (در یک طرف کمتر و در طرف مقابل بیشتر می‌شود)
- جریان بخار و توزیع فشار غیر یکنواخت می‌شوند
- نیروی آیرودینامیکی خالص دارای یک مؤلفه مماسی (عمود بر جابجایی) است.
- این نیروی مماسی مانند یک “سختی منفی” بی‌ثبات‌کننده عمل می‌کند.”
۳. ارتعاش خود برانگیخته
- نیروی مماسی باعث چرخش روتور می‌شود
- فرکانس مدار معمولاً نزدیک به فرکانس طبیعی (زیرسنکرون)
- انرژی به طور مداوم از جریان بخار استخراج می‌شود تا ارتعاش را حفظ کند.
- دامنه تا زمانی که توسط فواصل یا شکست فاجعه‌بار محدود شود، افزایش می‌یابد
شرایطی که باعث چرخش بخار می‌شوند
عوامل هندسی
- فواصل آب‌بندی محکم: فواصل کمتر، نیروهای آیرودینامیکی قوی‌تری ایجاد می‌کنند
- طول مهر و موم طولانی: دندانه‌های آب‌بند بیشتر یا بخش‌های آب‌بند بلندتر، نیروهای بی‌ثبات‌کننده را افزایش می‌دهند.
- سرعت چرخش بالا: آب‌بندهای ورودی بخار با مولفه سرعت مماسی بالا
- قطرهای بزرگ آب‌بند: شعاع بزرگتر، گشتاور ناشی از نیروهای آیرودینامیکی را تقویت می‌کند.
شرایط عملیاتی
- اختلاف فشار بالا: افت فشار بیشتر در آب‌بندها، نیروها را افزایش می‌دهد
- سرعت روتور بالا: اثرات گریز از مرکز و سرعت چرخش با افزایش سرعت افزایش می‌یابد
- میرایی کم باربری: میرایی ناکافی نمی‌تواند نیروهای بی‌ثبات‌کننده‌ی آب‌بند را خنثی کند
- شرایط بار سبک: بارهای کم تحمل، میرایی مؤثر را کاهش می‌دهند
مشخصات روتور
- روتورهای انعطاف‌پذیر: عملیات فوق سرعت‌های بحرانی آسیب‌پذیرتر
- سیستم‌های با میرایی کم: حداقل میرایی سازه یا یاتاقان
- نسبت طول به قطر بالا: روتورهای باریک بیشتر مستعد ناپایداری هستند
ویژگی‌های تشخیصی
امضای ارتعاش
چرخش بخار الگوهای متمایزی ایجاد می‌کند که از طریق ... قابل شناسایی هستند. vibration analysis:
| پارامتر | مشخصه |
|---|---|
| فرکانس | زیرسنکرون، معمولاً 0.3-0.6 برابر سرعت حرکت، اغلب در فرکانس طبیعی قفل می‌شود |
| دامنه | ارتعاش بالا، اغلب ۵ تا ۲۰ برابر حالت عادی (عدم تعادل) |
| شروع | سرعت یا فشار ناگهانی و بالاتر از آستانه |
| وابستگی به سرعت | فرکانس ممکن است قفل شود و با تغییرات سرعت ردیابی نشود |
| مدار | حرکت تقدیمی رو به جلو، دایره‌ای یا بیضوی بزرگ |
| طیف | پیک غالب زیرهمزمان |
تمایز از سایر ناپایداری‌ها
- در مقابل چرخش روغن/شلاقی: چرخش بخار در توربین‌هایی با آب‌بندهای لابیرنت و چرخش روغن در یاتاقان‌های ژورنال ساده رخ می‌دهد.
- در مقابل عدم تعادل: چرخش بخار زیرسنکرون است؛ عدم تعادل ۱ برابر سنکرون است
- در مقابل مالش: چرخش بخار می‌تواند بدون تماس رخ دهد؛ فرکانس پایدارتر از ارتعاش ناشی از مالش است
روش‌های پیشگیری و کاهش اثرات
اصلاحات طراحی آب‌بند
۱. دستگاه‌های ضد چرخش (ترمزهای چرخشی)
- پره‌ها یا بافل‌های ثابت در بالادست آب‌بندها
- حذف مولفه سرعت مماسی از جریان بخار
- کاهش قابل توجه نیروهای اتصال متقاطع
- موثرترین و رایج‌ترین راهکار
۲. آب‌بندهای لانه زنبوری
- جایگزین کردن سطوح صاف و مارپیچی با ساختار لانه زنبوری
- تلاطمی ایجاد می‌کند که انرژی چرخش را از بین می‌برد
- افزایش میرایی مؤثر در ناحیه آب‌بند
- مورد استفاده در توربین‌های گازی مدرن
۳. افزایش فاصله بین درزگیرها
- فواصل شعاعی بزرگتر، نیروهای آیرودینامیکی را کاهش می‌دهند
- بده بستان: به دلیل افزایش نشتی، راندمان توربین را کاهش می‌دهد
- معمولاً فقط به عنوان یک اقدام موقت استفاده می‌شود
۴. آب‌بندهای دمپر
- طرح‌های تخصصی آب‌بند که ضمن آب‌بندی، میرایی را نیز فراهم می‌کنند
- آب‌بندهای دمپر جیبی، آب‌بندهای طرح سوراخ
- نیروهای پایدارکننده را برای مقابله با اتصال متقاطع اضافه کنید
بهبود سیستم یاتاقان
- افزایش میرایی یاتاقان: از یاتاقان‌های پد کج‌شونده استفاده کنید یا میراگرهای فیلم فشرده را اضافه کنید
- پیش بارگذاری بلبرینگ: افزایش سختی و میرایی مؤثر
- طراحی بهینه یاتاقان: انتخاب نوع و پیکربندی بلبرینگ برای حداکثر پایداری
کنترل‌های عملیاتی
- محدودیت‌های سرعت: محدود کردن سرعت‌های عملیاتی به زیر آستانه ناپایداری
- مدیریت بار: از کار با بار سبک که باعث کاهش میرایی یاتاقان می‌شود، خودداری کنید.
- کنترل فشار: در صورت امکان، اختلاف فشار آب‌بند را کاهش دهید
- نظارت مداوم: نظارت بر ارتعاش در زمان واقعی با آلارم‌های زیرسنکرون
تشخیص و واکنش اضطراری
علائم هشدار دهنده اولیه
- پیک‌های کوچک زیرسنکرون که در طیف ارتعاش ظاهر می‌شوند
- اجزای فرکانس بالای متناوب
- افزایش تدریجی سطح کلی ارتعاش با نزدیک شدن سرعت به آستانه
- تغییرات در مدار شکل
اقدامات فوری هنگام تشخیص چرخش بخار
- کاهش سرعت: فوراً سرعت را به زیر آستانه کاهش دهید
- تأخیر نکنید: دامنه می‌تواند در عرض 30 تا 60 ثانیه از قابل قبول به مخرب افزایش یابد.
- خاموش کردن اضطراری: اگر کاهش کافی یا ممکن نباشد
- رویداد سند: سرعت در شروع، فرکانس، حداکثر دامنه، شرایط را ثبت کنید
- دوباره شروع نکنید: تا زمانی که علت اصلی شناسایی و اصلاح نشود
صنایع و کاربردها
چرخش بخار به ویژه در موارد زیر مورد توجه است:
- تولید برق: ژنراتورهای توربین بخار بزرگ
- پتروشیمی: کمپرسورها و پمپ‌های بخار
- توربین‌های گازی: موتورهای هواپیما، توربین‌های گازی صنعتی
- صنایع فرآوری: هر توربوماشین پرسرعت با آب‌بندهای لابیرنت
ارتباط با سایر پدیده‌ها
- چرخش روغن: مکانیسم مشابه اما در لایه‌های روغن یاتاقان به جای آب‌بندها
- شلاق شفت: قفل شدن فرکانس در فرکانس طبیعی، رفتار مشابه
- ناپایداری روتور: چرخش بخار یکی از انواع ناپایداری روتور خود تحریک است.
چرخش بخار همچنان یک ملاحظه مهم در طراحی و بهره‌برداری از توربین‌های مدرن است. اگرچه پیشرفت در فناوری آب‌بندی و سیستم‌های یاتاقان، وقوع آن را کاهش داده است، اما درک این پدیده برای مهندسان و اپراتورهایی که با توربوماشین‌های پرسرعت و پرفشار کار می‌کنند، ضروری است.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 