Velocità critica nella dinamica del rotore spiegata

Definizione: Che cos'è una velocità critica?

A velocità critica è una velocità di rotazione che corrisponde alla frequenza naturale di vibrazione di un rotore. Quando una macchina funziona a una delle sue velocità critiche o in prossimità di essa, si verifica il fenomeno di risonanza Ciò provoca un'amplificazione drammatica e spesso pericolosa delle vibrazioni del rotore, poiché anche una minima quantità di squilibrio residuo può generare enormi forze centrifughe. Ogni sistema di rotore ha diverse velocità critiche, corrispondenti alle sue diverse modalità di vibrazione (ad esempio, prima modalità di flessione, seconda modalità di flessione, ecc.).

Perché la velocità critica è così importante?

Comprendere e gestire le velocità critiche è uno degli aspetti più fondamentali della progettazione e dell'analisi delle macchine rotanti. Far funzionare una macchina a una velocità critica, anche per un breve periodo, può avere effetti catastrofici. Le conseguenze includono:

• Vibrazione eccessiva: Le ampiezze possono aumentare di un fattore 10, 20 o anche di più, a seconda dello smorzamento del sistema.
• Guasto del componente: Le elevate vibrazioni e la flessione dell'albero possono causare guasti ai cuscinetti, danni alle guarnizioni e sfregamenti tra parti rotanti e fisse.
• Guasto catastrofico dell'albero: Nei casi più gravi, le sollecitazioni di flessione possono superare il limite di fatica del materiale, causando la rottura o la rottura dell'albero.
• Rischi per la sicurezza: Un guasto alla macchina ad alta velocità rappresenta un rischio significativo per il personale e le apparecchiature circostanti.

Per questi motivi, i macchinari sono sempre progettati per funzionare con un "margine di separazione", ovvero la loro normale velocità di funzionamento è intenzionalmente mantenuta a una distanza di sicurezza da qualsiasi velocità critica.

Rotori rigidi vs. flessibili

Il concetto di velocità critica è ciò che distingue un rotore “rigido” da uno “flessibile”:

• Rotore rigido: Un rotore che funziona *al di sotto* della sua prima velocità critica. Il suo albero non subisce flessioni significative durante il funzionamento. Si tratta in genere di rotori più lenti e robusti.
• Rotore flessibile: Un rotore progettato per funzionare *al di sopra* della sua prima (e talvolta seconda o terza) velocità critica. Il suo albero si flette e si piega quando attraversa le velocità critiche durante l'avvio e l'arresto. I rotori sottili e ad alta velocità, come quelli di turbine e compressori, sono rotori flessibili.

Gestione delle velocità critiche nel funzionamento delle macchine

Poiché spesso non è pratico progettare una macchina ad alta velocità che rimanga al di sotto della sua prima velocità critica, gli ingegneri utilizzano diverse strategie per gestirla:

1. Margine di separazione

La strategia più comune è quella di garantire che la velocità di funzionamento continuo della macchina non sia troppo vicina a una velocità critica. Un margine di separazione tipico è ±20-30%. Ad esempio, se una velocità critica è di 3.000 giri/min, la macchina non dovrebbe funzionare ininterrottamente tra 2.400 e 3.600 giri/min.

2. Rapida accelerazione/decelerazione

Per i rotori flessibili che devono superare velocità critiche, le procedure di avvio e arresto sono progettate per superare gli intervalli di velocità critici il più rapidamente possibile. Il permanere a una velocità critica consente alle ampiezze delle vibrazioni di raggiungere livelli pericolosi. Un passaggio rapido riduce al minimo il tempo necessario affinché si verifichi questa amplificazione.

3. Smorzamento

Lo smorzamento è la dissipazione dell'energia vibrazionale ed è ciò che limita l'ampiezza di picco in risonanza. I cuscinetti, in particolare quelli a film fluido, sono una fonte primaria di smorzamento nei sistemi rotorici. Ottimizzando la progettazione dei cuscinetti, gli ingegneri possono controllare il picco di vibrazione alla velocità critica a un livello sicuro e gestibile.

4. Bilanciamento di precisione

La vibrazione a velocità critica è una risposta amplificata allo sbilanciamento. Quanto meglio un rotore è bilanciato, tanto minore sarà la funzione forzante e, di conseguenza, tanto minore sarà la vibrazione di picco al passaggio alla velocità critica. Per i rotori flessibili, sono necessarie speciali tecniche di bilanciamento multipiano.

Come vengono identificate le velocità critiche?

Le velocità critiche vengono identificate utilizzando diversi metodi:

• Analisi dinamica del rotore (RDA): Durante la fase di progettazione vengono creati modelli computerizzati (spesso utilizzando l'analisi degli elementi finiti) per prevedere le velocità critiche e le forme modali di un rotore.
• Test di corsa/decollo: Il metodo sperimentale più comune. L'ampiezza e la fase della vibrazione vengono tracciate in funzione della velocità all'avvio o allo spegnimento di una macchina. Una velocità critica è identificata da un picco distinto in ampiezza accompagnato da un caratteristico sfasamento di 180 gradi. Questi test generano grafici diagnostici come Diagramma di Bode e Trama della cascata.
• Prova d'impatto (Bump Test): Colpendo il rotore con un martello strumentato quando è fermo, è possibile eccitarne le frequenze naturali, che corrispondono alle velocità critiche.

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