Comprensione dello sfregamento del rotore nei macchinari rotanti
Definizione: Che cosa è il Rotor Rub?
Sfregamento del rotore (chiamato anche sfregamento o contatto rotore-statore) è una condizione in cui i componenti rotanti di una macchina entrano in contatto intermittente o continuo con parti fisse come guarnizioni, alloggiamenti dei cuscinetti o pareti dell'involucro. Questo contatto crea forze di attrito, genera calore e produce un caratteristico vibrazione modelli che possono rapidamente degenerare in guasti catastrofici se non affrontati immediatamente.
Lo sfregamento del rotore è particolarmente pericoloso perché il contatto può creare un ciclo di feedback positivo: la vibrazione provoca lo sfregamento, lo sfregamento genera calore, il calore provoca arco termico, l'arco termico aumenta le vibrazioni, causando sfregamenti più intensi. Questa spirale può distruggere una macchina in pochi minuti se non viene fermata.
Tipi di sfregamento del rotore
1. Sfregamento leggero (contatto intermittente)
- Contatto breve e occasionale durante i cicli di deflessione di picco
- Può verificarsi solo a determinate velocità o condizioni operative
- Produce picchi di vibrazione irregolari e intermittenti
- Spesso in corrispondenza di sigilli o aperture di labirinti
- Può essere tollerato brevemente ma indica un problema che richiede correzione
2. Sfregamento parziale (contatto leggero continuo)
- Contatto continuo ma con leggera forza di attrito
- Il rotore mantiene la rotazione mentre raschi la superficie fissa
- Genera vibrazioni continue sub-sincrone o sincrone
- Produce calore e detriti da usura
- Può progredire in uno sfregamento pesante se non corretto
3. Sfregamento pesante (contatto anulare completo)
- Il rotore entra in contatto con lo statore su una porzione ampia o completa della circonferenza
- Forze di attrito molto elevate
- Rapido aumento della temperatura (centinaia di gradi in minuti)
- Vibrazioni intense, spesso caotiche
- Può causare il grippaggio del rotore o un guasto catastrofico
- Richiede l'arresto immediato di emergenza
Posizioni comuni per gli sfregamenti
- Sigilli del labirinto: Gli spazi ristretti rendono comuni gli sfregamenti delle guarnizioni
- Cuscinetti di supporto: Cuscinetti di emergenza progettati per bloccare l'albero durante eventi gravi
- Guarnizioni del pistone di bilanciamento: Nei compressori e nelle pompe multistadio
- Diaframmi interstadio: Nelle turbine
- Alloggiamento del cuscinetto: Casi gravi in cui l'albero entra in contatto con il cappello del cuscinetto
- Manicotti dell'albero: Manicotti protettivi nei punti di tenuta
Cause di sfregamento del rotore
Vibrazione eccessiva
- Acuto sbilanciare causando una grande flessione dell'albero
- Disallineamento creazione del movimento dell'albero
- Operando a velocità critica con amplificazione risonante
- Instabilità del rotore (frusta d'olio, vortice di vapore)
Autorizzazione insufficiente
- Montaggio improprio che lascia un gioco radiale inadeguato
- Crescita termica che riduce le distanze durante il riscaldamento
- Usura dei cuscinetti che consente un movimento eccessivo dell'albero
- Assestamento delle fondamenta che avvicina le parti fisse al rotore
Eventi transitori
- Superamento della velocità critica durante l'avvio/decelerazione
- Variazioni di carico che causano improvvisa flessione dell'albero
- Eventi di viaggio o fermate di emergenza
- Condizioni di velocità eccessiva
Firme di vibrazione dello sfregamento del rotore
Modelli caratteristici
- Componenti sub-sincroni: Frequenze inferiori a 1× (spesso 1/2×, 1/3×, 1/4×) dal vortice all'indietro durante lo sfregamento
- Armoniche multiple: 1×, 2×, 3×, 4× a causa di forze di attrito non lineari
- Comportamento irregolare: Cambiamenti improvvisi in ampiezza e frequenza
- Rumore a banda larga: Componenti casuali ad alta frequenza derivanti da attrito e impatti
- Instabilità di fase: angoli di fase variare in modo irregolare
Caratteristiche dello spettro
- Numerosi picchi a ordini frazionari e multipli
- Elevato rumore di fondo dovuto ad impatti casuali
- Lo spettro cambia rapidamente e in modo imprevedibile
- Grafici a cascata mostra i componenti di frequenza che appaiono e scompaiono
Analisi dell'orbita
Orbita dell'albero i modelli durante lo sfregamento sono molto particolari:
- Forme orbitali irregolari e distorte
- Angoli acuti o punti piatti in cui avviene il contatto
- La forma dell'orbita cambia al variare dell'intensità dello sfregamento
- Spesso mostra componenti di precessione inversa (all'indietro)
Conseguenze e danni
Effetti immediati
- Riscaldamento per attrito: Il contatto genera un calore locale intenso (possibile 300-600°C)
- Arco termico: Il riscaldamento asimmetrico provoca la flessione dell'albero, aumentando la gravità dello sfregamento
- Indossare: Materiale rimosso dalle superfici dell'albero e dello statore
- Generazione di detriti: Le particelle di usura contaminano i cuscinetti e le guarnizioni
Danni secondari
- Distruzione del sigillo: Denti del sigillo del labirinto usurati o rotti
- Sovraccarico del cuscinetto: Carichi e riscaldamento aumentati dalle forze di sfregamento
- Arco con asta permanente: Il forte riscaldamento può causare deformazione plastica
- Punteggio dell'albero: Scanalature usurate nella superficie dell'albero
Fallimenti catastrofici
- Sequestro dell'albero: Blocco completo dovuto a sfregamento intenso
- Frattura dell'albero: La zona interessata dal calore crea l'inizio della crepa
- Caduta del rotore: Il guasto del cuscinetto dovuto al surriscaldamento fa sì che il rotore cada sui cuscinetti di supporto o sulla carcassa
- Pericolo di incendio: I detriti caldi o le scintille possono incendiare materiali infiammabili
Rilevamento e diagnosi
Indicatori di analisi delle vibrazioni
- Comparsa improvvisa di più componenti sub-sincroni
- Modelli di vibrazione irregolari e non ripetibili
- Aumenti netti del livello di vibrazione complessivo
- Cambiamenti nella vibrazione immediatamente dopo i cambiamenti di velocità
- Modelli orbitali insoliti con caratteristiche nitide
Prova fisica
- Polvere o particelle metalliche negli alloggiamenti dei cuscinetti
- Segni di usura visibili o rigature sulle superfici esposte dell'albero
- Componenti della guarnizione danneggiati o usurati
- La temperatura del cuscinetto aumenta
- Suoni udibili di raschiamento o macinazione
Risposta alle emergenze
Se si sospetta uno sfregamento del rotore durante il funzionamento:
- Valutare la gravità: Uno sfregamento leggero può consentire l'arresto controllato; uno sfregamento intenso richiede un arresto di emergenza immediato
- Ridurre la velocità: Se possibile, ridurre lentamente la velocità monitorando le vibrazioni
- Monitorare le temperature: L'aumento della temperatura dei cuscinetti indica un peggioramento delle condizioni
- Arresto di emergenza: Se la vibrazione continua ad aumentare o le temperature aumentano rapidamente
- Non riavviare: Fino a quando non saranno verificate le autorizzazioni e identificato il punto di sfregamento
- Evento del documento: Registrare i dati sulle vibrazioni, le temperature, le velocità per l'analisi
Prevenzione e mitigazione
Misure di progettazione
- Adeguati giochi radiali in tutti i potenziali punti di sfregamento
- Tenere conto della crescita termica nella progettazione della distanza
- Utilizzare rivestimenti abradibili nei punti di tenuta per ridurre al minimo i danni causati da leggeri sfregamenti
- Installare cuscinetti di ritegno per limitare la flessione durante eventi gravi
Misure operative
- Mantenere buono bilancia per ridurre al minimo la flessione dell'albero
- Assicurare un allineamento di precisione
- Seguire le procedure di riscaldamento appropriate per gestire la crescita termica
- Evitare il funzionamento a velocità critiche
- Monitorare costantemente le vibrazioni sulle apparecchiature critiche
Monitoraggio e protezione
- Installare allarmi di vibrazione impostati al di sotto dei livelli di soglia di sfregamento
- Monitorare le temperature dei cuscinetti e delle guarnizioni
- Utilizzare sonde di prossimità per monitorare la posizione e le distanze dell'albero
- Implementare lo spegnimento automatico in caso di vibrazioni eccessive
Lo sfregamento del rotore rappresenta una condizione di emergenza che richiede attenzione immediata. Comprenderne le cause, riconoscerne le caratteristiche vibrazionali e implementare adeguate misure di prevenzione e protezione sono essenziali per il funzionamento sicuro delle macchine rotanti, in particolare in apparecchiature ad alta velocità o con spazi ristretti come turbine e compressori.
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