הבנת מערבולת קיטור במכונות טורבו
הגדרה: מהו מערבולת קיטור?
מערבולת קיטור (נקרא גם חוסר יציבות צולבת אווירודינמית או מערבולת אטמים) הוא רטט מעורר עצמי תופעה המתרחשת בטורבינות קיטור וטורבינות גז כאשר כוחות אווירודינמיים באטמי מבוך, מרווחי קצה הלהב או מעברים טבעתיים אחרים יוצרים כוחות משיקיים שמערערים את היציבות על רוטור. כמו מערבולת שמן במיסבים הידרודינמיים, מערבולת קיטור היא סוג של חוסר יציבות הרוטור שבו אנרגיה מופקת באופן רציף מזרימה קבועה של קיטור או גז ומומרת לתנועה ויברציונית.
מערבולת קיטור מתבטאת בדרך כלל כתת-סינכרונית בעלת משרעת גבוהה רֶטֶט בתדר קרוב לאחד הרוטורים תדרים טבעיים, וזה יכול להוביל לכישלון קטסטרופלי אם לא יאותר ותוקן במהירות.
מנגנון פיזי
כיצד מתפתח מערבולת קיטור
המנגנון כולל דינמיקת נוזלים במרווחים הצרים של אטמי טורבינה:
1. מרווחי אטמי מבוך
- קיטור או גז זורמים דרך מעברים טבעתיים צרים בין רכיבי אטם מסתובבים ונייחים
- הפרש לחץ גבוה על פני אטמים (לעתים קרובות 50-200 בר)
- מרווחים רדיאליים צרים (בדרך כלל 0.2-0.5 מ"מ)
- קיטור מסתחרר כשהוא זורם דרך שיני האטם
2. צימוד צולב אווירודינמי
כאשר הרוטור מוזז מהמרכז:
- מרווח הופך לא-סימטרי (קטן יותר בצד אחד, גדול יותר בצד הנגדי)
- זרימת הקיטור וחלוקת הלחץ הופכים לא אחידים
- לכוח אווירודינמי נטו יש רכיב משיקי (מאונך לתזוזה)
- כוח משיקי זה פועל כמו "נוקשות שלילית" מערערת יציבות“
3. רטט מעורר עצמי
- כוח משיקי גורם לרוטור להקיף אותו
- תדר מסלול בדרך כלל קרוב לתדר טבעי (תת-סינכרוני)
- אנרגיה המופקת באופן רציף מזרימת הקיטור כדי לשמור על רטט
- משרעת גדלה עד שהיא מוגבלת על ידי מרווחים או כשל קטסטרופלי
תנאים המקדמים סחרור קיטור
גורמים גיאומטריים
- מרווחי אטימה הדוקים: מרווחים קטנים יותר יוצרים כוחות אווירודינמיים חזקים יותר
- אורכי אטם ארוכים: יותר שיני אטם או מקטעי אטם ארוכים יותר מגבירים את כוחות הערעור
- מהירות מערבולת גבוהה: אטמים הנכנסים לאדים עם רכיב מהירות משיקי גבוה
- קוטר אטם גדול: רדיוס גדול יותר מגביר את המומנט מכוחות אווירודינמיים
תנאי הפעלה
- הפרשי לחץ גבוהים: ירידת לחץ גדולה יותר על פני האטמים מגדילה את הכוחות
- מהירות רוטור גבוהה: אפקטים צנטריפוגליים ומהירות מערבולת עולים עם המהירות
- שיכוך מיסבים נמוך: ריכוך לא מספק אינו יכול לנטרל כוחות איטום שמערערים את היציבות
- תנאי עומס קל: עומסי מיסב נמוכים מפחיתים את הבלימת האפקטיבית
מאפייני הרוטור
- רוטורים גמישים: הפעלה מעל מהירויות קריטיות יותר רגישים
- מערכות שיכוך נמוך: ריסון מבני או מיסבים מינימלי
- יחס אורך-קוטר גבוה: רוטורים דקים נוטים יותר לחוסר יציבות
מאפייני אבחון
חתימת רטט
מערבולת קיטור מייצרת דוגמאות ייחודיות הניתנות לזיהוי באמצעות vibration analysis:
| פָּרָמֶטֶר | מְאַפיֵן |
|---|---|
| תֶדֶר | תת-סינכרוני, בדרך כלל מהירות ריצה של 0.3-0.6×, נועל לעתים קרובות בתדר הטבעי |
| מִשׂרַעַת | רטט חוסר איזון גבוה, לעתים קרובות פי 5-20 מהרגיל |
| הַתקָפָה | מהירות או לחץ פתאומיים, מעל סף הסף |
| תלות במהירות | התדר עשוי להינעל ולא לעקוב אחר שינויי מהירות |
| מַסלוּל | נקיפה קדימה מעגלית או אליפטית גדולה |
| ספֵּקטרוּם | שיא תת-סינכרוני דומיננטי |
בידול מחוסר יציבות אחר
- לעומת מערבולת/קצפת שמן: מערבולת קיטור מתרחשת בטורבינות עם אטמי מבוך; מערבולת שמן מתרחשת במיסבי גלגלים פשוטים.
- לעומת חוסר איזון: מערבולת הקיטור היא תת-סינכרונית; חוסר האיזון הוא סינכרוני פי 1
- לעומת רוב: מערבולת קיטור יכולה להתרחש ללא מגע; תדירות יציבה יותר מרעידות הנגרמות משפשוף
שיטות מניעה והפחתה
שינויים בתכנון אטמים
1. התקני נגד סחרור (בלמי סחרור)
- כנפי או מחיצות נייחות במעלה הזרם של אטמים
- הסר את רכיב המהירות המשיקי מזרימת הקיטור
- הפחתה משמעותית של כוחות צימוד צולבים
- הפתרון היעיל והנפוץ ביותר
2. אטמי חלת דבש
- החלפת אטמי מבוך חלקים במבנה חלת דבש
- יוצר טורבולנציה שמפזרת את אנרגיית הסחרור
- מגביר את הבלימה האפקטיבית באזור האטימה
- משמש בטורבינות גז מודרניות
3. מרווחי אטמים מוגברים
- מרווחים רדיאליים גדולים יותר מפחיתים כוחות אווירודינמיים
- פשרה: מפחית את יעילות הטורבינה עקב דליפה מוגברת
- משמש בדרך כלל רק כאמצעי זמני
4. אטמי בולם זעזועים
- עיצובי אטמים מיוחדים המספקים ריסון בזמן האיטום
- אטמי בולם זעזועים, אטמי דפוס חורים
- הוסיפו כוחות ייצוב כדי לנטרל צימוד צולב
שיפורי מערכת מיסבים
- הגברת שיכוך המיסב: השתמשו במסבי רפידות הטיה או הוסיפו בולמי סרט לחיצה
- עומס קדם של מיסב: מגביר את הנוקשות והשיכוך האפקטיביים
- עיצוב מיסבים אופטימלי: בחר סוג ותצורת מיסב ליציבות מרבית
בקרות תפעוליות
- הגבלות מהירות: הגבל את מהירויות הפעולה מתחת לסף חוסר היציבות
- ניהול עומס: הימנעו מפעולה בעומס קל שמפחיתה את שיכוך המיסבים
- בקרת לחץ: הפחתת הפרשי לחצי האטם במידת האפשר
- ניטור רציף: ניטור רעידות בזמן אמת עם אזעקות תת-סינכרוניות
גילוי ותגובה לחירום
סימני אזהרה מוקדמים
- שיאים תת-סינכרוניים קטנים המופיעים בספקטרום הרטט
- רכיבים לסירוגין בתדר גבוה
- עלייה הדרגתית ברמת הרטט הכוללת ככל שהמהירות מתקרבת לסף
- שינויים ב מַסלוּל צוּרָה
פעולות מיידיות כאשר מתגלה מערבולת קיטור
- הפחתת מהירות: להאט מיד את המהירות מתחת לסף
- אל תתעכבו: משרעת יכולה לגדול ממקובלת להרסנית תוך 30-60 שניות
- כיבוי חירום: אם ההפחתה אינה מספקת או אינה אפשרית
- אירוע מסמך: מהירות שיא בתחילת השיא, תדירות, משרעת מקסימלית, תנאים
- אל תפעיל מחדש: עד שיאותרו ויתוקנו את שורש הבעיה
תעשיות ויישומים
מערבולת קיטור מדאיגה במיוחד ב:
- ייצור חשמל: טורבינות קיטור גדולות-גנרטורים
- פטרוכימיה: מדחסים ומשאבות המונעים על ידי קיטור
- טורבינות גז: מנועי מטוסים, טורבינות גז תעשייתיות
- תעשיות תהליך: כל טורבו-מכונה במהירות גבוהה עם אטמי מבוך
קשר לתופעות אחרות
- מערבולת שמן: מנגנון דומה אך בסרטי שמן של מיסבים ולא באטמים
- שוט פיר: נעילת תדר בתדר טבעי, התנהגות דומה
- חוסר יציבות הרוטור: מערבולת קיטור היא סוג אחד של חוסר יציבות ברוטור בעל עירור עצמי
מערבולת קיטור נותרה שיקול חשוב בתכנון ותפעול טורבינות מודרניות. בעוד שההתקדמות בטכנולוגיית האטמים ומערכות מיסבים צמצמה את שכיחותה, הבנת תופעה זו חיונית למהנדסים ולמפעילים העובדים עם טורבו-מכונות במהירות גבוהה ובלחץ גבוה.
קטגוריות:
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 