Comprendre les instabilités du tourbillon et du fouet du rotor

Définition : Que sont Whirl et Whip ?

Tourbillon d'huile et Fouet à huile sont deux formes liées et très dangereuses d'auto-excitation, sous-synchrone Vibrations qui se produisent dans les machines tournantes à grande vitesse équipées de paliers à film fluide (liserets). Il ne s'agit pas de vibrations forcées causées par des problèmes tels qu'un balourd, mais instabilités du rotor Le mouvement du rotor lui-même génère les forces qui entretiennent et intensifient les vibrations. Ces deux phénomènes se caractérisent par le « tourbillonnement » de l'arbre du rotor, c'est-à-dire sa précession vers l'avant sur une grande orbite, dans le jeu de ses paliers.

Le mécanisme : comment cela se produit-il ?

Dans un palier à film fluide, l'arbre rotatif est soutenu par un bloc d'huile haute pression. L'arbre n'est pas au centre du palier, mais repose sur un côté. L'huile, entraînée par l'arbre, circule à une vitesse moyenne légèrement inférieure à la moitié de sa vitesse superficielle.

Tourbillon d'huile Ce phénomène se produit lorsque ce film d'huile en circulation commence à « pousser » l'arbre autour du roulement, provoquant sa précession sur une grande orbite vers l'avant. La fréquence de ce tourbillonnement est déterminée par la vitesse moyenne du film d'huile, généralement comprise entre 42% et 48% de la vitesse de fonctionnement de l'arbre (0,42x à 0,48x)Il s’agit d’une signature vibratoire sous-synchrone classique.

Tourbillon d'huile : le précurseur

Le tourbillon d'huile est souvent le stade initial de l'instabilité. Ses caractéristiques sont les suivantes :

• Fréquence: Apparaît comme un pic distinct dans le spectre FFT entre 0,42x et 0,48x RPM.
• Comportement: La fréquence du tourbillon *augmentera* à mesure que la vitesse de la machine augmente, restant toujours dans cette plage ~45%.
• Gravité: Cela peut provoquer des vibrations importantes, mais parfois stables. Elles peuvent apparaître ou disparaître en fonction des variations de charge, de vitesse ou de température de l'huile de la machine. Bien qu'indésirables, elles ne sont pas toujours immédiatement destructrices.

Le fouet pétrolier : le danger critique

Fouet à huile Il s'agit d'une condition beaucoup plus grave et dangereuse qui se développe à partir d'un tourbillon d'huile. Elle se produit lorsque la vitesse de la machine augmente jusqu'à un point où la fréquence du tourbillon d'huile (à environ 45% de vitesse de fonctionnement) devient égale à celle du rotor. première fréquence naturelle (sa première vitesse critique).

Lorsque cela se produit, le tourbillon d'huile se « bloque » sur la fréquence naturelle du rotor et provoque une résonance. Les caractéristiques du fouet d'huile sont les suivantes :

• Fréquence: La fréquence de vibration se « verrouille » à la première fréquence naturelle du rotor et *n'augmente plus* même lorsque la machine continue d'accélérer.
• Amplitude: L'amplitude des vibrations devient très grande et violente et instable.
• Comportement: Le fouettement d'huile est extrêmement destructeur et ne disparaît pas même en augmentant la vitesse. Il peut causer des dommages catastrophiques aux roulements, aux joints et au rotor lui-même en très peu de temps.

La vitesse à laquelle le fouettement se produit est généralement légèrement supérieure au double de la première vitesse critique du rotor. Une machine soumise à un fouettement d'huile nécessite un arrêt immédiat.

Comment identifier le tourbillon et le fouet

• Analyse du spectre : Recherchez un pic subsynchrone important. Au démarrage, si la fréquence du pic augmente avec la vitesse, il s'agit d'un tourbillon. Si la fréquence du pic stagne à un certain point alors que le pic de vitesse de fonctionnement 1x continue d'augmenter, il s'agit d'un fouet.
• Graphique d'orbite: L'orbite de l'arbre sera un grand cercle ou une ellipse en précession vers l'avant, souvent avec la vibration de vitesse de fonctionnement 1x superposée, créant une apparence de « boucle ».
• Parcelle de cascade: Un graphique en cascade issu d'un test de démarrage fournit l'image la plus claire possible, montrant la fréquence du tourbillon d'huile augmentant avec la vitesse jusqu'à ce qu'elle croise la première fréquence naturelle et se transforme en fouet d'huile.

Causes et solutions

Ces instabilités sont complexes et dépendent de la conception des roulements, de la géométrie du rotor, de la viscosité de l'huile, de la température et de la charge. Elles ne sont pas causées par un balourd et ne peuvent être corrigées par un équilibrage. Les solutions consistent généralement en des modifications de conception, telles que :

• Passage à une conception de roulement plus stable (par exemple, un roulement à patins inclinables).
• Modification de la viscosité ou de la température de l'huile.
• Augmentation de la charge portante.
• Introduction de caractéristiques telles que des rainures ou des barrages dans le roulement pour perturber le flux circonférentiel de l'huile.

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