Capire il vortice dell'olio
Vortice d'olio è un tipo di vibrazione instabile autoeccitata che si manifesta nelle macchine dotate di cuscinetti a film fluido (diario) — tra cui grandi turbine, compressori e pompe. È una forma di instabilità fluidodinamica instabilità in cui il film d'olio che sostiene l'albero comincia a spingere l'albero attorno al gioco del cuscinetto in un moto circolare in avanti. Poiché questo moto vorticoso avviene a una frequenza inferiore alla velocità di rotazione della macchina (1×), si tratta di una vibrazione sub-sincrono — e, essendo autoeccitata, non richiede una forzante esterna per sostenersi.
1. Definizione: che cos'è l'oil whirl?
A differenza di sbilanciare, che è sincrona (1×) vibrazione forzata, l'oil whirl è una vibrazione autoeccitata: l'energia che la alimenta proviene dalla rotazione continua dell'albero stesso, trasmessa attraverso il film d'olio del cuscinetto. Questa distinzione è importante ai fini diagnostici, poiché le instabilità autoeccitate possono comparire improvvisamente, crescere rapidamente e non possono essere “eliminate tramite equilibratura” come avviene per uno squilibrio 1×.
2. Caratteristiche dell'oil whirl
L'oil whirl presenta diverse firme caratteristiche e identificabili nei dati di vibrazione:
- Frequenza: la caratteristica più evidente è un picco di grande ampiezza a una frequenza leggermente inferiore alla metà della velocità di rotazione — tipicamente compresa tra 0.4× and 0.48× (dal 40% al 48% della velocità dell'albero). In una macchina che gira a 3000 giri/min (50 Hz), l'oil whirl si manifesterebbe a circa 1200–1440 giri/min (20–24 Hz).
- Direzione: la vibrazione è prevalentemente radiale (orizzontale e verticale) ed è spesso fortemente direzionale.
- Orbit plot: visualizzato su un diagramma di orbita da sensori X–Y sonde di prossimità, il whirl dell'olio si manifesta come un'orbita ampia, a precessione diretta, spesso distorta (non circolare), contenente un singolo anello interno ben definito.
- Comportamento: l'oil whirl non è legato a una frequenza fissa. All'aumentare della velocità della macchina, la frequenza del moto vorticoso la segue, mantenendo sempre il rapporto caratteristico di circa 0.4×–0.48× rispetto alla nuova velocità di rotazione. Questo comportamento di inseguimento della velocità è il principale elemento differenziante rispetto a una risonanza strutturale, che si attesta a una frequenza fissa indipendentemente dalla velocità dell'albero.
Rilevare queste caratteristiche con chiarezza richiede una misura multicanale con riferimento di fase. Un grafico a cascata acquisita durante un rincorsa o discesa in costa è particolarmente rivelatrice, poiché il picco sub-sincrono si vede avanzare insieme alla velocità di rotazione anziché restare fisso.
3. Il Meccanismo: Come si Manifesta il Oil Whirl?
Il oil whirl origina dalla dinamica del cuneo d'olio idrodinamico che sostiene l'albero in un cuscinetto radiale a strisciamento. In condizioni normali, l'albero rotante trascina l'olio in un varco a forma di cuneo, generando un campo di pressione che solleva e supporta l'albero. L'albero non si trova al centro del cuscinetto, ma si posiziona leggermente eccentrico, con un angolo di assetto rispetto alla linea di carico.
L'olio all'interno di quel cuneo circola attorno al cuscinetto a circa metà della velocità superficiale dell'albero — il che spiega esattamente perché l'instabilità risultante compare appena al di sotto di 0,5×. Se il cuscinetto è poco caricato o presenta un gioco eccessivo sdoganamento, le forze stabilizzatrici si indeboliscono. Una piccola perturbazione può quindi permettere all'albero di essere “catturato” dal film circolante, che inizia a spingerlo lungo un percorso circolare attorno al cuscinetto. Il risultato è una vibrazione auto-sostenuta che può crescere fino ad ampiezze molto elevate, spesso limitata solo dal gioco del cuscinetto stesso — punto in cui l'albero inizia a toccare la superficie del cuscinetto.
4. Oil Whip: La Forma Più Grave
Se la macchina accelera fino al punto in cui la frequenza di oil whirl (~0,4×–0,48×) coincide con una delle frequenze naturali — a velocità critica — la condizione si aggrava drammaticamente. Questo fenomeno è denominato frusta d'olio, il caso estremo e più violento del più ampio whirl-and-whip famiglia di instabilità.
- Frequenza bloccata: la vibrazione “si aggancia” alla frequenza naturale del rotore e non aumenta più all'aumentare della velocità della macchina.
- Ampiezza elevata: la condizione di risonanza porta l'ampiezza a valori estremamente alti.
- Pericolo: il oil whip è una condizione instabile molto pericolosa che può portare a un guasto catastrofico, incluso il danneggiamento del cuscinetto per fusione del rivestimento e gravi sfregamento del rotore.
5. Cause Comuni e Soluzioni
- Cause: cuscinetti poco caricati, gioco eccessivo del cuscinetto, viscosità dell'olio troppo bassa, pressione eccessiva di alimentazione dell'olio, o una progettazione della macchina che colloca una velocità critica a circa il doppio della velocità di esercizio (cosicché il rotore raggiunge la propria velocità critica esattamente quando arriva la frequenza di whirl).
- Soluzioni: i rimedi mirano a interrompere il film d'olio instabile. Le opzioni includono l'aumento del carico sul cuscinetto, la correzione della viscosità dell'olio e la riprogettazione del cuscinetto con geometrie anti-whirl — profilo a limone (ellittico), con diga di pressione, o multisegmento e a pattini oscillanti geometrie che interrompono la circolazione simmetrica del film. L'installazione di un smorzatore a film viscoso può aggiungere un smorzamento stabilizzante in alcune macchine.
Confermare una diagnosi sul campo significa misurare il picco sub-sincrono e la sua fase, escludendo prima le cause sincrone — squilibrio e disallineamento — in primo luogo. Un analizzatore portatile a due canali come il Bilanciamento-1a acquisisce l'ampiezza e fase across the spettro di vibrazione e verifica se la componente 1× è accettabile; se il residuo 1× è pulito ma persiste un forte picco a ~0,45× che segue la velocità, il problema è un'instabilità del film fluido come il whirl dell'olio, non un difetto di bilanciamento — e la soluzione risiede nel cuscinetto, non nei pesi di correzione. Le frequenze caratteristiche di instabilità possono essere verificate con un Calcolatore di frequenza per cuscinetti a strisciamento (Oil Whirl & Oil Whip).
