ローターダイナミクスにおける臨界速度の説明

定義: 臨界速度とは何ですか?

A 臨界速度 回転子の固有振動数と一致する回転速度。機械が臨界速度またはその付近で動作しているとき、 共振 が発生します。これにより、ローターの振動が劇的に増幅され、しばしば危険な状態になります。わずかな残留アンバランスでも、非常に大きな遠心力が発生する可能性があるためです。すべてのローターシステムには、それぞれの振動モード（例えば、第1曲げモード、第2曲げモードなど）に応じて、複数の臨界速度が存在します。

臨界速度はなぜそれほど重要なのでしょうか?

危険速度の理解と管理は、回転機械の設計と解析における最も基本的な側面の一つです。機械を危険速度で運転することは、たとえ短時間であっても、壊滅的な結果をもたらす可能性があります。その結果として、以下のようなことが起こります。

• 過度の振動: システムの減衰に応じて、振幅は 10 倍、20 倍、あるいはそれ以上に増加することがあります。
• コンポーネント障害: 大きな振動とシャフトのたわみにより、ベアリングの故障、シール損傷、回転部品と固定部品間の摩擦が発生する可能性があります。
• 重大なシャフト故障: ひどい場合には、曲げ応力が材料の疲労限界を超え、シャフトに亀裂が生じたり破損したりすることがあります。
• 安全上の危険: 高速運転中の機械の故障は、人員や周囲の機器に重大な危険をもたらします。

これらの理由から、機械は常に「分離マージン」を持って動作するように設計されています。つまり、通常の動作速度は、危険な速度から意図的に安全な距離に保たれます。

剛性ローターとフレキシブルローター

臨界速度の概念は、「剛性」ローターと「柔軟性」ローターを区別するものです。

• リジッドローター: 第一臨界速度*以下*で動作するローター。動作中にシャフトに大きな曲がりが生じません。一般的に、回転速度が遅く、頑丈なローターです。
• フレキシブルローター: 第一臨界速度（場合によっては第二臨界速度、第三臨界速度）を超える速度で運転するように設計されたローター。起動時および停止時に臨界速度を通過する際に、シャフトがたわみます。タービンやコンプレッサーに用いられるような高速で細長いローターはフレキシブルローターです。

機械操作における臨界速度の管理

最初の臨界速度未満に留まる高速マシンを設計することは現実的ではないことが多いため、エンジニアはいくつかの戦略を使用してそれを管理します。

1. 分離マージン

最も一般的な戦略は、機械の連続運転速度が危険速度に近すぎないようにすることです。典型的な分離マージン（許容回転速度）は±20～30%です。例えば、危険速度が3,000 RPMの場合、機械は2,400 RPMから3,600 RPMの間で連続運転してはいけません。

2. 急加速・急減速

臨界速度を通過させる必要があるフレキシブルローターの場合、起動および停止手順は、臨界速度域を可能な限り迅速に通過するように設計されています。臨界速度で滞留すると、振動振幅が危険なレベルまで増大する可能性があります。臨界速度域を迅速に通過させることで、この増幅が発生する時間を最小限に抑えることができます。

3. ダンピング

減衰とは振動エネルギーの消散であり、共振時のピーク振幅を制限するものです。軸受、特に流体膜軸受は、ローターシステムにおける主要な減衰源です。軸受設計を最適化することで、エンジニアは臨界速度における振動ピークを安全かつ管理可能なレベルに制御することができます。

4. 精密バランス調整

臨界速度における振動は、アンバランスに対する増幅された応答です。ローターのバランスが良好であればあるほど、外力関数は小さくなり、臨界速度を通過する際のピーク振動も低くなります。柔軟なローターの場合、特殊な多面バランス調整技術が必要です。

臨界速度はどのように特定されますか?

臨界速度はいくつかの方法で特定されます。

• ローターダイナミック解析（RDA）: 設計段階では、ローターの臨界速度とモード形状を予測するために、コンピュータ モデル (多くの場合、有限要素解析を使用) が作成されます。
• ランアップ/コーストダウンテスト: 最も一般的な実験手法です。機械の起動時または停止時に、振動の振幅と位相を速度に対してプロットします。臨界速度は、特徴的な180度の位相シフトを伴う明確な振幅のピークによって特定されます。これらの試験では、次のような診断プロットが生成されます。 ボード線図 そして 滝プロット.
• 衝撃試験（バンプテスト）： ローターが静止しているときに計器付きハンマーでローターを叩くと、臨界速度に対応する固有振動数を励起することができます。

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