A rotordinamika kritikus sebességének magyarázata

Definíció: Mi a kritikus sebesség?

A kritikus sebesség egy olyan forgási sebesség, amely megegyezik a rotor természetes rezgési frekvenciájával. Amikor egy gép a kritikus sebességének egyikén vagy annak közelében működik, a következő jelenség jelentkezik: rezonancia előfordul. Ez a rotor rezgésének drámai és gyakran veszélyes felerősödését okozza, mivel már egy apró maradék kiegyensúlyozatlanság is hatalmas centrifugális erőket generálhat. Minden rotorrendszernek több kritikus sebessége van, amelyek a különböző rezgési módoknak felelnek meg (pl. első hajlítási mód, második hajlítási mód stb.).

Miért olyan fontos a kritikus sebesség?

A kritikus sebességek megértése és kezelése a forgógépek tervezésének és elemzésének egyik legfontosabb aspektusa. Egy gép kritikus sebességgel történő működtetése, még rövid ideig is, katasztrofális lehet. A következmények a következők:

• Túlzott rezgés: Az amplitúdók 10-szeresére, 20-szorosára vagy akár nagyobb mértékben is növekedhetnek, a rendszer csillapításától függően.
• Komponens meghibásodása: A nagy rezgés és a tengely elhajlása csapágymeghibásodáshoz, tömítéskárosodáshoz és a forgó és álló alkatrészek közötti súrlódáshoz vezethet.
• Katasztrofális tengelyhiba: Súlyos esetekben a hajlítófeszültségek meghaladhatják az anyag kifáradási határát, ami a tengely repedését vagy törését okozhatja.
• Biztonsági veszélyek: A nagy sebességű gépmeghibásodás jelentős kockázatot jelent a személyzetre és a környező berendezésekre.

Ezen okok miatt a gépeket mindig úgy tervezik, hogy „leválasztási tartalékkal” működjenek, ami azt jelenti, hogy normál üzemi sebességüket szándékosan biztonságos távolságban tartják a kritikus sebességektől.

Merev vs. rugalmas rotorok

A kritikus sebesség fogalma különbözteti meg a „merev” rotort a „rugalmas” rotortól:

• Merev rotor: Egy olyan rotor, amely *az* első kritikus sebessége alatt működik. Tengelye működés közben nem hajlik jelentősen. Ezek jellemzően lassabb, zömökebb rotorok.
• Rugalmas rotor: Egy olyan rotor, amelyet úgy terveztek, hogy az első (és néha a második vagy harmadik) kritikus sebessége felett *működjön*. Tengelye hajlik és hajlik, miközben áthalad a kritikus sebességeken indítás és leállítás közben. A nagy sebességű, karcsú rotorok, mint például a turbinákban és kompresszorokban lévők, rugalmas rotorok.

Kritikus sebességek kezelése gépüzemeltetés közben

Mivel gyakran nem praktikus olyan nagysebességű gépet tervezni, amely az első kritikus sebessége alatt marad, a mérnökök számos stratégiát alkalmaznak ezek kezelésére:

1. Elválasztási margó

A leggyakoribb stratégia az, hogy a gép folyamatos üzemi sebessége ne legyen túl közel semmilyen kritikus sebességhez. A tipikus elválasztási határ ±20-30%. Például, ha a kritikus sebesség 3000 ford/perc, a gépet nem szabad folyamatosan 2400 és 3600 ford/perc között üzemeltetni.

2. Gyors gyorsulás/lassulás

A kritikus sebességtartományon áthaladó rugalmas rotorok esetében az indítási és leállítási eljárásokat úgy tervezik, hogy a lehető leggyorsabban áthaladjanak a kritikus sebességtartományon. A kritikus sebességen való időtöltés lehetővé teszi, hogy a rezgési amplitúdók veszélyes szintre emelkedjenek. A gyors áthaladás minimalizálja az erősítés bekövetkezéséhez szükséges időt.

3. Csillapítás

A csillapítás a rezgési energia elvezetése, és ez korlátozza a csúcs amplitúdóját rezonanciánál. A csapágyak, különösen a folyadékfilmes csapágyak, a csillapítás elsődleges forrásai a rotorrendszerekben. A csapágytervezés optimalizálásával a mérnökök biztonságos és kezelhető szintre tudják szabályozni a kritikus sebességnél jelentkező rezgési csúcsot.

4. Precíziós kiegyensúlyozás

A kritikus sebességnél fellépő rezgés a kiegyensúlyozatlanságra adott felerősített válasz. Minél jobban kiegyensúlyozott egy rotor, annál kisebb a kényszerítő függvény, és ezért annál alacsonyabb lesz a csúcsrezgés a kritikus sebességen áthaladva. Rugalmas rotorok esetén speciális többsíkú kiegyensúlyozási technikákra van szükség.

Hogyan azonosítják a kritikus sebességeket?

A kritikus sebességeket többféle módszerrel azonosítják:

• Rotor dinamikus elemzése (RDA): A tervezési fázisban számítógépes modelleket (gyakran végeselemes analízist alkalmazva) hoznak létre a rotor kritikus sebességeinek és üzemmód alakjának előrejelzésére.
• Felfutási/lefutási tesztek: A leggyakoribb kísérleti módszer. A rezgés amplitúdóját és fázisát a sebesség függvényében ábrázolják, amikor egy gép beindul vagy leáll. A kritikus sebességet egy jellegzetes amplitúdócsúcs azonosítja, amelyet egy jellegzetes 180 fokos fáziseltolódás kísér. Ezek a tesztek diagnosztikai diagramokat generálnak, mint például a Bode-diagram és Vízesés telek.
• Ütésvizsgálat (ütközőteszt): Ha a rotort műszeres kalapáccsal ütjük meg nyugalmi állapotban, akkor gerjeszthetjük a saját frekvenciáit, amelyek megfelelnek a kritikus sebességeknek.

← Vissza a fő tartalomjegyzékhez