Objašnjenje kritične brzine u dinamici rotora

Definicija: Što je kritična brzina?

A kritična brzina je brzina vrtnje koja odgovara prirodnoj frekvenciji vibracija rotora. Kada stroj radi na jednoj od svojih kritičnih brzina ili blizu nje, fenomen rezonancija događa se. To uzrokuje dramatično i često opasno pojačanje vibracija rotora, jer čak i mala količina preostale neravnoteže može generirati ogromne centrifugalne sile. Svaki rotorski sustav ima više kritičnih brzina, koje odgovaraju njegovim različitim načinima vibracija (npr. prvi način savijanja, drugi način savijanja itd.).

Zašto je kritična brzina toliko važna?

Razumijevanje i upravljanje kritičnim brzinama jedan je od najosnovnijih aspekata projektiranja i analize rotacijskih strojeva. Rad stroja kritičnom brzinom, čak i u kratkom razdoblju, može biti katastrofalan. Posljedice uključuju:

• Prekomjerne vibracije: Amplitude se mogu povećati za faktor 10, 20 ili čak i više, ovisno o prigušenju sustava.
• Kvar komponente: Visoke vibracije i otklon osovine mogu dovesti do kvara ležaja, oštećenja brtvi i trenja između rotirajućih i nepokretnih dijelova.
• Katastrofalni kvar osovine: U teškim slučajevima, naprezanja savijanja mogu premašiti granicu zamora materijala, uzrokujući pucanje ili lom osovine.
• Sigurnosne opasnosti: Kvar stroja pri velikoj brzini predstavlja značajan rizik za osoblje i okolnu opremu.

Iz tih razloga, strojevi su uvijek projektirani za rad s „marginom razdvajanja“, što znači da se njihova normalna brzina rada namjerno održava na sigurnoj udaljenosti od bilo kojih kritičnih brzina.

Kruti vs. fleksibilni rotori

Koncept kritične brzine je ono što razlikuje "kruti" rotor od "fleksibilnog":

• Kruti rotor: Rotor koji radi *ispod* svoje prve kritične brzine. Njegova osovina se ne savija značajno tijekom rada. To su obično sporiji, zdepastiji rotori.
• Fleksibilni rotor: Rotor koji je dizajniran za rad *iznad* svoje prve (a ponekad i druge ili treće) kritične brzine. Njegova osovina će se savijati i savijati dok prolazi kroz kritične brzine tijekom pokretanja i gašenja. Brzi, vitki rotori poput onih u turbinama i kompresorima su fleksibilni rotori.

Upravljanje kritičnim brzinama u radu stroja

Budući da često nije praktično dizajnirati stroj velike brzine koji ostaje ispod svoje prve kritične brzine, inženjeri koriste nekoliko strategija za njihovo upravljanje:

1. Margina razdvajanja

Najčešća strategija je osigurati da kontinuirana radna brzina stroja nije preblizu bilo kojoj kritičnoj brzini. Tipična granica odvajanja je ±20-30%. Na primjer, ako je kritična brzina 3000 okretaja u minuti, stroj ne bi trebao kontinuirano raditi između 2400 okretaja u minuti i 3600 okretaja u minuti.

2. Brzo ubrzanje/usporavanje

Za fleksibilne rotore koji moraju proći kroz kritične brzine, postupci pokretanja i gašenja osmišljeni su kako bi se što brže prošlo kroz raspone kritičnih brzina. Zadržavanje na kritičnoj brzini omogućuje porast amplituda vibracija do opasnih razina. Brzi prolaz minimizira vrijeme potrebno za pojavu ovog pojačanja.

3. Prigušivanje

Prigušenje je rasipanje vibracijske energije i ono je ono što ograničava amplitudu vrha pri rezonanciji. Ležajevi, posebno ležajevi s fluidnim filmom, primarni su izvor prigušenja u rotorskim sustavima. Optimiziranjem dizajna ležajeva, inženjeri mogu kontrolirati vrh vibracija pri kritičnoj brzini na sigurnu i upravljivu razinu.

4. Precizno balansiranje

Vibracija pri kritičnoj brzini je pojačani odgovor na neravnotežu. Što je rotor bolje uravnotežen, to će funkcija prisile biti manja, a time i niža vršna vibracija pri prolasku kroz kritičnu brzinu. Za fleksibilne rotore potrebne su posebne tehnike balansiranja u više ravnina.

Kako se identificiraju kritične brzine?

Kritične brzine se određuju pomoću nekoliko metoda:

• Dinamička analiza rotora (RDA): Računalni modeli (često korištenjem metode konačnih elemenata) stvaraju se tijekom faze projektiranja kako bi se predvidjele kritične brzine i oblici moda rotora.
• Ispitivanja ubrzanja/usporavanja: Najčešća eksperimentalna metoda. Amplituda i faza vibracija prikazuju se u odnosu na brzinu dok se stroj pokreće ili gasi. Kritična brzina identificira se izrazitim vrhom amplitude popraćenim karakterističnim faznim pomakom od 180 stupnjeva. Ovi testovi generiraju dijagnostičke dijagrame poput Bodeov dijagram and Vodopadni prikaz.
• Ispitivanje udarom (Bump Test): Udaranjem instrumentiranog čekića po rotoru dok je u mirovanju može se pobuditi njegova prirodna frekvencija, koja odgovara kritičnim brzinama.

← Natrag na glavni indeks