蒸気渦とは？タービンの空力不安定性• ポータブルバランサー、振動分析装置「Balanset」は、破砕機、ファン、粉砕機、コンバインのオーガー、シャフト、遠心分離機、タービン、その他多くのローターの動的バランス調整に使用されます。 蒸気渦とは？タービンの空力不安定性• ポータブルバランサー、振動分析装置「Balanset」は、破砕機、ファン、粉砕機、コンバインのオーガー、シャフト、遠心分離機、タービン、その他多くのローターの動的バランス調整に使用されます。

蒸気渦とは？タービンにおける空力不安定性

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ターボ機械における蒸気渦の理解

定義: Steam Whirl とは何ですか?

蒸気渦 （空力クロスカップリング不安定性またはシール渦とも呼ばれる）は、 自励振動 蒸気タービンやガスタービンにおいて、ラビリンスシール、ブレード先端の隙間、またはその他の環状通路内の空気力によって、タービン翼に不安定な接線方向の力が生じるときに発生する現象。 ローター. 。 のように オイルワール 流体軸受では、蒸気渦は ローターの不安定性 蒸気またはガスの安定した流れからエネルギーが継続的に抽出され、振動運動に変換されます。.

蒸気渦は典型的には高振幅の亜同期として現れる。 振動 ローターの1つに近い周波数で 固有振動数, すぐに検出して修正しないと、壊滅的な障害につながる可能性があります。.

物理的メカニズム

蒸気渦の発生過程

このメカニズムには、タービンシールの狭い隙間における流体力学が関係しています。

1. ラビリンスシールのクリアランス

  • 蒸気またはガスは、回転シール部品と固定シール部品の間の狭い環状通路を通って流れます。
  • シール間の高圧差（多くの場合50～200バール）
  • 狭いラジアルクリアランス（通常0.2～0.5 mm）
  • 蒸気はシール歯を通って渦を巻いて流れる

2. 空力クロスカップリング

ローターが中心からずれている場合:

  • クリアランスは非対称になる（片側は小さく、反対側は大きくなる）
  • 蒸気の流れと圧力分布が不均一になる
  • 純空気力は接線方向成分（変位に垂直）を持つ
  • この接線力は不安定な「負の剛性」のように作用する。“

3. 自励振動

  • 接線力によりローターが軌道を回る
  • 軌道周波数は通常、固有周波数に近い（同期以下）
  • 振動を維持するために蒸気流から継続的に抽出されるエネルギー
  • 振幅はクリアランスまたは壊滅的な故障によって制限されるまで増大する

蒸気渦の発生を促進する条件

幾何学的要因

  • タイトシールクリアランス: クリアランスが小さいほど、空気力が強くなります
  • 長いシール長さ: シール歯の数が増えたりシール部分が長くなったりすると不安定化力が増す
  • 高旋回速度: 高い接線速度成分を持つシールに入る蒸気
  • 大きなシール径: 半径が大きいほど空気力によるモーメントが増大する

動作条件

  • 高圧差圧: シール間の圧力降下が大きいほど、力が増加する
  • 高速ローター： 遠心効果と旋回速度は速度とともに増加する
  • 低ベアリング減衰: 不十分な減衰では不安定なシール力を打ち消すことができない
  • 軽負荷条件: ベアリング負荷が低いと効果的な減衰が減少する

ローター特性

  • フレキシブルローター: 上記で動作 臨界速度 より影響を受けやすい
  • 低減衰システム: 構造的またはベアリングの減衰が最小限
  • 高い長さ対直径比： 細長いローターは不安定になりやすい

診断特性

振動シグネチャー

蒸気渦は、次のような特徴的なパターンを生み出します。 振動解析:

パラメータ 特性
頻度 準同期、通常は動作速度の0.3～0.6倍、多くの場合は固有周波数でロックする
振幅 高い、多くの場合、通常の不均衡振動の5～20倍
発症 突然の閾値を超える速度または圧力
速度依存性 周波数がロックし、速度の変化に追従しない場合があります
軌道 大きな円または楕円形の前方歳差運動
スペクトラム 優勢な亜同期ピーク

他の不安定性との区別

  • オイルワール/ホイップ対: ラビリンスシール付きタービンでは蒸気渦が発生し、プレーンジャーナルベアリングでは油渦が発生します。
  • アンバランスに対して: 蒸気旋回は同期以下、不平衡は同期1倍
  • vs. ラブ: 蒸気渦は接触なしで発生する可能性があり、摩擦による振動よりも周波数が安定している

予防と緩和の方法

シール設計の変更

1. 渦流防止装置（渦流ブレーキ）

  • シール上流の固定ベーンまたはバッフル
  • 蒸気流から接線速度成分を除去する
  • クロスカップリング力を大幅に低減
  • 最も効果的で一般的な解決策

2. ハニカムシール

  • 滑らかなラビリンスシールランドをハニカム構造に置き換える
  • 渦エネルギーを消散させる乱流を作り出す
  • シール領域の効果的な減衰を向上
  • 現代のガスタービンに使用されている

3. シールクリアランスの増加

  • ラジアルクリアランスが大きいほど空気力学的な力が減少する
  • トレードオフ：漏れの増加によりタービン効率が低下する
  • 通常は一時的な対策としてのみ使用される

4. ダンパーシール

  • 密閉しながら減衰を提供する特殊なシール設計
  • ポケットダンパーシール、ホールパターンシール
  • クロスカップリングに対抗するために安定化力を加える

ベアリングシステムの改良

  • ベアリング減衰力の増加: ティルティングパッドベアリングを使用するか、スクイーズフィルムダンパーを追加する
  • ベアリングプリロード: 効果的な剛性と減衰を向上
  • 最適化されたベアリング設計： 最大の安定性を得るためにベアリングの種類と構成を選択してください

運用管理

  • 速度制限: 動作速度を不安定閾値以下に制限する
  • 負荷管理: ベアリングの減衰を低下させる軽負荷運転を避ける
  • 圧力制御: 可能な場合はシール圧力差を減らす
  • 継続的な監視: サブ同期アラームによるリアルタイム振動監視

検出と緊急対応

早期警告サイン

  • 振動スペクトルに現れる小さな同期ピーク
  • 断続的な高周波成分
  • 速度が閾値に近づくにつれて、全体的な振動レベルが徐々に増加します。
  • 変化 軌道 形

蒸気渦を検知した場合の即時対応

  1. 速度を落とす: 直ちに速度を閾値以下に下げる
  2. 遅れないでください: 振幅は30～60秒で許容範囲から破壊範囲にまで拡大する可能性がある
  3. 緊急シャットダウン: 削減が不十分または不可能な場合
  4. ドキュメントイベント: 開始時の速度、周波数、最大振幅、条件を記録する
  5. 再起動しないでください: 根本原因が特定され修正されるまで

業界とアプリケーション

蒸気渦は、特に次のような場合に問題となります。

  • 発電: 大型蒸気タービン発電機
  • 石油化学: 蒸気駆動コンプレッサーとポンプ
  • ガスタービン: 航空機エンジン、産業用ガスタービン
  • プロセス産業: ラビリンスシールを備えたあらゆる高速ターボ機械

他の現象との関係

  • オイルワール: 同様のメカニズムだが、シールではなくベアリングの油膜で行われる
  • シャフトウィップ: 固有周波数での周波数ロックイン、同様の動作
  • ローターの不安定性: 蒸気渦は自励回転不安定性の一種である。

蒸気旋回は、現代のタービンの設計と運転において依然として重要な考慮事項です。シール技術と軸受システムの進歩により、その発生頻度は減少していますが、高速・高圧ターボ機械を扱うエンジニアやオペレーターにとって、この現象を理解することは不可欠です。.

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