Comprensione delle instabilità del vortice del rotore e della frusta

Definizione: Cosa sono Whirl e Whip?

Vortice d'olio e Frusta d'olio sono due forme correlate e altamente pericolose di autoeccitazione, sub-sincrono vibrazioni che si verificano nei macchinari rotanti ad alta velocità dotati di cuscinetti a film fluido (perni). Non si tratta di vibrazioni forzate causate da problemi come lo squilibrio, ma sono instabilità del rotore dove il movimento del rotore stesso genera le forze che sostengono e accrescono la vibrazione. Entrambi sono caratterizzati dal fatto che l'albero del rotore "ruota" – ovvero ruota in avanti su un'orbita ampia – entro il gioco del cuscinetto.

Il meccanismo: come avviene?

In un cuscinetto a film fluido, l'albero rotante è supportato da un cuneo di olio ad alta pressione. L'albero non si trova al centro del cuscinetto, ma scorre lateralmente. Mentre l'olio viene trascinato dall'albero, circola a una velocità media di poco inferiore alla metà della velocità superficiale dell'albero.

Vortice d'olio si verifica quando questo film d'olio circolante inizia a "spingere" l'albero attorno al cuscinetto, provocandone la precessione in un'orbita ampia e in avanti. La frequenza di questo vortice è determinata dalla velocità media del film d'olio, che è tipicamente compresa tra 42% e 48% della velocità di rotazione dell'albero (da 0,42x a 0,48x)Questa è una classica firma di vibrazione sub-sincrona.

Vortice di petrolio: il precursore

Il vortice petrolifero è spesso la fase iniziale dell'instabilità. Le sue caratteristiche sono:

• Frequenza: Appare come un picco distinto nello spettro FFT tra 0,42x e 0,48x RPM.
• Comportamento: La frequenza del vortice *aumenterà* all'aumentare della velocità della macchina, rimanendo sempre nell'intervallo ~45%.
• Gravità: Può causare vibrazioni elevate ma a volte stabili. Possono comparire o scomparire al variare del carico, della velocità o della temperatura dell'olio della macchina. Sebbene indesiderabili, non sempre sono immediatamente distruttive.

Frusta d'olio: il pericolo critico

Frusta d'olio è una condizione molto più grave e pericolosa che si sviluppa a causa del vortice d'olio. Si verifica quando la velocità della macchina aumenta fino al punto in cui la frequenza del vortice d'olio (a circa 451 TP3T di velocità di funzionamento) diventa uguale alla frequenza del rotore prima frequenza naturale (la sua prima velocità critica).

Quando ciò accade, il vortice d'olio si "aggancia" alla frequenza naturale del rotore e genera una risonanza. Le caratteristiche del vortice d'olio sono:

• Frequenza: La frequenza di vibrazione si "blocca" sulla prima frequenza naturale del rotore e *non aumenta ulteriormente* anche se la macchina continua ad accelerare.
• Ampiezza: L'ampiezza della vibrazione aumenta notevolmente e diventa violenta e instabile.
• Comportamento: La frustata d'olio è estremamente distruttiva e non scompare aumentando ulteriormente la velocità. Può causare danni catastrofici a cuscinetti, guarnizioni e al rotore stesso in brevissimo tempo.

La velocità alla quale inizia la frusta è in genere poco più del doppio della prima velocità critica del rotore. Una macchina che subisce la frusta dell'olio deve essere immediatamente spenta.

Come identificare il vortice e la frusta

• Analisi dello spettro: Cerca un forte picco sub-sincrono. Durante un avvio, se la frequenza del picco aumenta con la velocità, si parla di vortice. Se la frequenza del picco si appiattisce a un certo punto, mentre il picco a velocità di corsa continua ad aumentare, si è passati a frusta.
• Orbita Plot: L'orbita dell'albero sarà un grande cerchio o un'ellisse con precessione in avanti, spesso con la vibrazione a velocità di corsa 1x sovrapposta, creando un aspetto di "giro della morte".
• Trama della cascata: Un grafico a cascata tratto da un test di avvio fornisce l'immagine più chiara possibile, mostrando la frequenza del vortice dell'olio che aumenta con la velocità fino a intersecare la prima frequenza naturale e trasformarsi in una frusta dell'olio.

Cause e soluzioni

Queste instabilità sono complesse e sono influenzate dalla progettazione dei cuscinetti, dalla geometria del rotore, dalla viscosità dell'olio, dalla temperatura e dal carico. Non sono causate da squilibri e non possono essere risolte tramite bilanciamento. Le soluzioni consistono in genere in modifiche a livello di progettazione, come:

• Passaggio a un cuscinetto più stabile (ad esempio, un cuscinetto con cuscinetto basculante).
• Modifica della viscosità o della temperatura dell'olio.
• Aumento del carico del cuscinetto.
• Introduzione di elementi quali scanalature o dighe nel cuscinetto per interrompere il flusso circonferenziale dell'olio.

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